WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Коваленко Артем Валерьевич Синхронизация в системе ЧПУ геометрических и электрических осей электронно-лучевой установки с целью повышения эффективности сварки авиационных конструкций Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы) Специальность 05.07.02 – Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2009

Работа выполнена в ОАО «Национальный институт авиационных технологий» (г. Москва).

Научный консультант: кандидат технических наук Плихунов Виталий Валентинович Научный консультант: доктор технических наук, доцент Мартинов Георги Мартинов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Фролов Евгений Борисович кандидат технических наук Денисов Борис Семенович

Ведущая организация: ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество»

Защита состоится « 22 » апреля 2009 года в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 в ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, Вадковский пер., д. 3а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан « 20 » марта 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Семячкова Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях развития авиационной промышленности проблема повышения качества сварных соединений, призванных заменить сборные конструкции наиболее нагруженных узлов летательных аппаратов, является одной из самых актуальных. Одним из видов технологического оборудования, способного обеспечить высокое качество сварки деталей из тугоплавких и химически активных металлов, используемых при изготовлении летательных аппаратов, являются электронно-лучевые установки (ЭЛУ).

Анализ современного рынка ЭЛУ отечественного производства выявил следующие проблемы:

отсутствие на рынке (в первую очередь, российском) не только серийно выпускающихся современных систем управления для ЭЛУ, но даже единой концепции их построения;

большинство используемых на ЭЛУ систем управления российского производства построены по децентрализованной схеме на базе двух персональных компьютеров (ПК), где один компьютер управляет взаимным перемещением свариваемых деталей и электронно-лучевой пушки (ЭЛП) друг относительно друга, а другой – параметрами электронного луча. При этом, синхронизация управления необходимых перемещений и изменения параметров электронного луча производится оператором в ручном или полуавтоматическом режиме;

время, затрачиваемое на отработку технологического процесса электроннолучевой сварки (ЭЛС) для передачи его в серийное производство, является недопустимо большим для современного авиационного производства;

в зависимости от сложности сварного стыка, соотношение изделий, отправляемых на исправление при серийном изготовлении, к общему объему производства колеблется от 3% до 16%, из которых порядка 10% являются бракованными.

Определено, что наиболее прогрессивной архитектурой системы управления ЭЛУ является построение такой системы на базе одного вычислительного устройства (системы ЧПУ), синхронно управляющего параметрами электронного луча, оформленными в виде электрических осей, и взаимными перемещениями свариваемых деталей и ЭЛП, реализуемыми при помощи геометрических осей. В рамках диссертационной работы такое устройство получило название специализированной системы ЧПУ.

В этой связи, тема диссертационной работы, направленной на повышение эффективности сварки авиационных конструкций путем синхронизации в системе ЧПУ геометрических и электрических осей ЭЛУ, является актуальной.

Цель работы. Повышение производительности технологического процесса и качества ЭЛС элементов авиационных конструкций путем применения специализированной системы ЧПУ, позволяющей синхронно управлять геометрическими и электрическими осями.

Задачи исследования. Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать и определить возможность применения в качестве специализированной системы ЧПУ представленные на рынке модели систем управления ведущих мировых производителей.

2. Исследовать особенности управления процессом ЭЛС для выявления его управляемых параметров.

3. Построить математическую модель специализированной системы ЧПУ, включающую модуль управления ЭЛП и модуль видеоконтрольного устройства (ВКУ).

4. Реализовать опытный образец специализированной системы ЧПУ на основании разработанной модели.

5. Внедрить специализированную систему ЧПУ на установке «ЭЛУ-20АМ», используемой для сварки длинномерных титановых деталей типа «лонжерон» в опытном производстве ОАО «Национальный институт авиационных технологий» («НИАТ»).

Методы исследования. Теоретические исследования в работе базировались на методах системного анализа, объектно-ориентированного проектирования (декомпозиции, абстракции), концепции объектно-ориентированного программирования и теории автоматического управления (ТАУ).

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

на основании выявленных взаимосвязей разработан метод синхронизации управления параметрами электронного луча (электрические оси) и взаимными перемещениями свариваемых деталей и ЭЛП (геометрические оси) в рамках одной системы ЧПУ, значительно повышающий производительность ЭЛУ и обеспечивающий высокое качество изделий, получаемых методом ЭЛС;

построена математическая модель специализированной системы ЧПУ, основанной на открытой коммерческой системе управления класса PCNC, реализующая синхронное управление геометрическими и электрическими осями;

разработана функциональная модель модуля управления ЭЛП, что позволяет в рамках одной специализированной системы ЧПУ управлять электронным лучом;

разработана функциональная схема ВКУ высокой четкости, характеризующегося малой восприимчивостью к внешним помехам и позволяющего с высокой точностью реализовать функцию определения координат стыка свариваемых деталей в автоматическом режиме.

Практическая значимость. Практическая значимость работы состоит в разработке методики построения специализированной системы ЧПУ, предназначенной для синхронного управления геометрическими и электрическими осями ЭЛУ, что позволяет повысить эффективность сварки авиационных конструкций.

Реализация и внедрение. Результаты работы внедрены и использованы на установке «ЭЛУ-20АМ», применяемой в опытном производстве ОАО «НИАТ».

Апробация работы. Теоретические и практические результаты, полученные автором, докладывались на заседаниях кафедры «Компьютерные системы управления» МГТУ «СТАНКИН», заседаниях научно-технического совета ОАО «НИАТ», научно-технической конференции «XVII научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов» (РКК «Энергия», Королев, 2005 г.), научно-практической конференции «Современные технологии – ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (КГТУ им. А.Н. Туполева, Казань, 2008 г.), научном семинаре «Системы управления, искусственный интеллект и качество программного обеспечения» (ИКТИ РАН, Москва, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из: введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы из 78 наименований. Основная часть работы изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, отмечена ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе на основе научных трудов специалистов в области автоматизации производственных процессов и разработки систем ЧПУ – Соломенцева Ю.М., Сосонкина В.Л., Мартинова Г.М., Фролова Е.Б., Митрофанова В.Г., Горнева В.Ф., а также специалистов в области технологии и оборудования для ЭЛС – Белянина П.Н., Глазова С.И., Магнитова В.С., Денисова Б.С., Назаренко О.К., Башенко В.В., проведен анализ технологического процесса ЭЛС и принципов построения систем управления технологическим оборудованием, реализующим этот процесс.

Выявлены три возможных варианта построения специализированной системы ЧПУ:

1. В ПК промышленного исполнения устанавливаются платы согласования, обеспечивающие связь с модулями управления электродвигателями и силовым блоком ЭЛП, а также плата программируемого логического контроллера для работы с периферийными устройствами. Ядром системы управления при этом является комплекс программ, реализующих геометрическую и логическую задачи.

2. В ядро открытой коммерческой системы ЧПУ внедряется программный модуль, реализующий через плату согласования управление силовым блоком ЭЛП.

Алгоритм работы этого программного модуля во многом аналогичен алгоритму работы модулей управления электродвигателями.

3. В качестве дополнения к коммерческой системе ЧПУ разрабатывается модуль управления ЭЛП, генерирующий управляющие сигналы для силового блока на основании данных, полученных из системы ЧПУ. Данный модуль подключается к базовой системе ЧПУ по промышленной шине, используемой также для связи с модулями управления электродвигателями.

Идентичным для всех трех вариантов является способ реализации ВКУ: аналоговый сигнал, полученный от чувствительного элемента (коллектора электронов) в вакуумной камере, оцифровывается при помощи платы расширения и передается в систему ЧПУ, где обрабатывается специальным программным модулем.

Основным недостатком первого варианта является избыточная трудоемкость его реализации, сопряженная с разработкой всего необходимого программного обеспечения (ПО), включая интерпретатор управляющих программ, математический аппарат для расчета и управления необходимыми перемещениями (интерполятор), а также программируемый логический контроллер в случае его программной реализации.

Основным недостатком второго варианта является отсутствие возможности приобретения пакета открытой архитектуры, являющегося опциональным для большинства современных систем ЧПУ. Это связано с запретом западных производителей на поставку данной опции российским предприятиям.

Третий вариант лишен вышеописанных недостатков, что делает его наиболее приемлемым для реализации. Таким образом, в результате анализа выбран третий вариант, в соответствии с особенностями которого предложена функциональная схема специализированной системы ЧПУ (Рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема специализированной системы ЧПУ На основании данной функциональной схемы сформулированы требования, предъявляемые ко всем компонентам, входящим в состав специализированной системы ЧПУ:

базовая система ЧПУ должна быть построена по архитектуре PCNC-4 и иметь не менее одного слота для установки плат расширения или заменяющего его разъема универсальной последовательной шины USB;

базовая система ЧПУ должна обладать возможностью одновременной интерполяции не менее чем пяти геометрических осей, а также иметь запас не менее чем из четырех одновременно интерполируемых осей для реализации управления параметрами электронного луча;

модуль управления ЭЛП должен использовать для соединения с системой ЧПУ промышленную шину, аналогичную используемой модулями управления электродвигателями.

Табл. 1. Сравнительная таблица основных параметров систем ЧПУ ведущих мировых производителей Наименование парамет- GE FANUC 18i Siemens SINUMERIK Power Automation PA Heidenhain iTNC 530 Rexroth IndraMotion ра model B 840Di sl 8000e MTX advanced Архитектура PCNC-4 PCNC-4 PCNC-4 PCNC-2 PCNC-Максимально допусти- 8, возможно рас- 20 64 8, возможно про- мое количество осей ширение путем ус- граммное расшире(для одного блока ЧПУ) тановки дополни- ние до тельных модулей Максимальное количест- 8 12 10 8 во осей на один канал Шины для подключения FANUC Serial Servo PROFIBUS-DP, воз- PA SDI-Bus, SERCOS- SERCOS-III, анало- SERCOS-III, аналогомодулей управления Bus, FANUC I/O можна реализация III, аналоговый ±10 В говый ±10 В вый ±10 В электродвигателями Link аналогового управления посредством ANA-модулей Шины для подключения PROFIBUS-DP, FL- MPI, PROFIBUS-DP PA Superbus, PROFI- PROFIBUS-DP, De- PROFIBUS-DP, Deпериферии net, DeviceNet, Asi, BUS-DP, DeviceNet, viceNet, CANopen viceNet I/O Link-II CANopen Наличие слотов расши- нет 1 x PCI с возможно- 2 x PCI с возможно- нет 1 x PCI с возможностью рения стью расширения за стью расширения за расширения за счет засчет замены стандарт- счет замены стандарт- мены стандартных комных комплектующих ных комплектующих плектующих Разъемы для подключе- 2 x COM, 1 x Ether- 2 x PS/2, 4 x USB, 2 x 2 x PS/2, 4 x USB, 1 x 2 x USB, 1 x COM, 1 2 x PS/2, 4 x USB, 1 x ния вычислительных net COM, 1 x LPT, 1 x COM, 1 x LPT, 1 x x VGA, 1 x Ethernet COM, 1 x LPT, 1 x устройств и устройств VGA, 1 x Ethernet VGA, 1 x Ethernet VGA, 1 x Ethernet ввода-вывода Дополнительно проведен сравнительный анализ флагманских систем ЧПУ ведущих мировых производителей с целью определения модели, наиболее подходящей для использования в качестве базы для построения специализированной системы ЧПУ (Табл. 1). В процессе анализа рассматривались системы: GE FANUC 18i model B, Siemens SINUMERIK 840Di solution line, Power Automation PA 8000e, Heidenhain iTNC 530 и Rexroth IndraMotion MTX advanced. В результате анализа, а также учитывая наличие опыта длительного сотрудничества с фирмой Siemens, выбор остановлен на системе SINUMERIK 840Di solution line.

Рис. 2. Принцип работы ЭЛП На основе проведенного анализа и выявленных проблем, поставлена цель и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе проведено исследование процесса управления ЭЛП с целью выявления управляемых параметров, а также определения способов автоматизации сварочного процесса и сопутствующих ему операций. Проанализирована схема устройства ЭЛП, функциональная схема ЭЛУ, технологический процесс ЭЛС.

Принцип работы ЭЛП представлен на Рис. 2. Электроны, эмитированные катодом и ускоренные напряжением между катодом и анодом (ускоряющим напряжением), направляются в рабочую камеру установки. Дальнейшее формирование электронного луча производится при помощи фокусирующей системы, а его направление корректируется отклоняющей системой.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»