Elektronické vačky v řídicím systému brusky radiálních vaček

Ing. Vladislav Crhák

Doctoral thesis

Electronic cams in the control system of a radial cam grinding machine

Abstract:

Dizertační práce se zabývá analýzou možností v návrhu a nastavení parametrů řídicího systému jednoúčelového obráběcího stroje, z pohledu dosažení nejlepších dynamických vlastností pohonů a zároveň rozměrových parametrů zpracovávaného obrobku. V soula-du s geometrickou přesností je zmíněna důležitost optimálního nastavení pohonů stroje také v souvislosti s potlačováním kmitů a zvýšením efektivity výroby. V první části jsou vysvětleny základní pojmy ohledně vaček a vačkových mechanismů, na jejichž základě je rozvíjena myšlenka nahrazování klasických kinematických dvojic elektronickými systémy. Je uveden způsob netradičního přístupu k řízení pohonů, resp. jednotlivých obráběcích os. Tím je myšleno využití elektronických vaček, které jsou v podobě spojení výkonných servomotorů s řídicím prvkem, implementovány do řídicího systému brousicího stroje, uvažovaného jako mechatronický systém. Hlavní náplní práce je analýza zaměřená na vypracování matematického modelu broušení s volbou vhodné regulační struktury použitých pohonů. Součástí analýzy je optimaliza?ce regulačních smyček a jednotlivých regulátorů. S tím je spojeno určení takového nastavení regulace, kdy je při obrábění dosahováno vysoké dynamiky pohonů s minimálními polohovými chybami a přitom je proces stabilní. Současně s rovnováhou systému je třeba řešit nežádoucí kmitání, vznikající při obrábění. Na danou problematiku tedy navazuje rozbor dosažení aperiodického průběhu obráběcí síly s metodikou potlačení kmitů ve vícehmotové soustavě. V další části je rozebrána možnost volby měřicího zařízení a způsob konkrétního řešení s vysokou přesností měření, které je nedílnou součástí reálné výroby. Měřením získaná data jsou dále zpracována algoritmy filtrace a predikce obráběcích polohových křivek, pro dosažení maximální přesnosti v následném procesu obrábění. Poslední díl práce je pro komplexní doplnění textu zaměřen na metodiku dimenzování pohonů obráběcích os. Výchozím parametrem pro výběr pohonů je požadovaná obráběcí síla, vycházející z tvaru obrobku, s čímž souvisí ladění a nastavení regulace procesu broušení. Obsah textu je vztažen k obrábění jednoho druhu obrobku radiální vačky, na konkrét-ním stroji, který byl vyvíjen souběžně s psaním této práce. Problematika spojená s vývojem a testovacím provozem brusky radiálních vaček byla zároveň motivací pro vznik této práce.

Abstract:

This thesis deals with the analysis of options in designing and parameter settings of a one purpose machine control system. The purpose is to achieve a satisfactory dynamic characteristic of the drives and simultaneously the exact dimensions of the work piece. In compliance with geometric precision, the importance of the machine drive optimum settings is mentioned which leads to the suppression of vibrations and increases production efficiency. The first part explains the basic terms concerning the cams and cam mechanisms. On the basis of these mechanisms the idea is developed of replacing the classical kinematic structures by electronic systems. There is a way mentioned of the individual machine axes control motion. It means the application of electronic cams, consisting of powerful servomotors and controller which are implemented in a grinding machine control system. The main work is the analysis focused on the development of a mathematical model, describing grinding with the choice of an appropriate regulatory structure of used drives and subsequent optimization of the control loops and individual regulators. This is associated with the determination of such control settings when the high dynamics of drives is reached during the machining with minimal positional errors and when the process is still stable. Unwanted vibrations generated during the machining are solved together with the system stability. Mentioned problematics are followed by a criteria stability analysis and ways of reaching this, together with the methodology of vibration suppressing in a multi mass system. The next section discusses the choice of measuring equipment and specific solution with a high accuracy of measurement, which is an integral part of real production. The data obtained by measurement is further processed by filtration and prediction algorithms to obtain the maximum position accuracy of the machining curves in the subsequent machining process. The last part of the work is focused on drive sizing as an overall text supplement. Described method of sizing leads to the selection of drives in terms of cutting force, which is the default parameter. Grinding force resulting from a specific shape of the workpiece and it is related to the control system adjustment. The text is related to a certain type of workpiece machining the radial cam, on a specific machine which has been developed in parallel with the writing of this work. Issues associated with the developing and testing operation of a radial cam grinder was also the motivation for this work.

Keywords

elektronická vačka, servopohon, regulační smyčka, regulátor, optimalizace, měření obrobku, filtrace dat, dimenzování pohonu

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 10. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 25. 4. 2017
• Supervisor: doc. Ing. Pavel Rydlo, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Technical cybernetics