CC BY
15
УДК 621.3.078
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-529-536
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ ДВИЖЕНИЯ С ГИБРИДНЫМ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
О.В. Горячев, А.Г. Ефромеев, А.О. Степочкин
Выполнен анализ элементного состава мехатронного модуля движения на основе шагового двигателя гибридного типа, описаны особенности построения математической модели исполнительного двигателя, а также специфика математического описания остальных элементов модуля. Представлены модели шагового двигателя гибридного типа разной степени идеализации. Предложена математическая модель гибридного шагового двигателя, позволяющая установить связь между его конструктивными параметрами и характеристиками машины как объекта управления. Рассмотрена реализация данной модели в пакете моделирования динамических систем БтиНпк
Ключевые слова: математическая модель мехатронного модуля движения, 81ши11пк-модель гибридного шагового двигателя.
С точки зрения теории управления мехатронный модуль представляет собой динамическую систему, а при решении задач анализа и синтеза таких систем важнейшим этапом является разработка их математического описания, которое может быть формализовано в виде: систем дифференциальных уравнений; векторно-матричных моделей в пространстве состояний; передаточных функций элементов и системы в целом; частотных характеристик системы; структурной схемы системы.
Современные среды разработки и визуального моделирования динамических систем: МАТЪАВ с пакетом расширения Simulink, Scilab и SimInTech позволяют разработчику оперировать со всеми перечисленными видами математического описания, что, в соответствии с принципами модельно-ориентированного проектирования, позволяет выполнять расчет и анализ статических и динамических характеристик системы, разрабатывать аналоговые и цифровые корректирующие устройства, а также выполнять автоматическую кодогенерацию для осуществления программной реализации полученного алгоритма управления. В большинстве случаев при работе с динамическими системами разрабатываемые с помощью перечисленных пакетов модели реализуются на основе структурной схемы системы.
Следует отметить, что сложность модели (в частности, порядок заданной системы дифференциальных уравнений) определяется не столько характеристиками самого описываемого объекта, сколько степенью идеализации происходящих в нем физических процессов и выбором соответствующей системы допущений, позволяющей учитывать или не учитывать те или иные внутренние и внешние факторы.
В настоящей работе описана общая структура и проведен элементный анализ мехатронного модуля движения (ММД) на базе электрического двигателя с акцентом на исполнительном устройстве модуля, в качестве которого предложено использовать шаговый двигатель гибридного типа. Выполнен анализ нескольких известных подходов к построению математической модели данного исполнительного устройства с точки зрения используемой системы допущений, и предложена модель двигателя, позволяющая установить связь между его конструктивными параметрами и выходными характеристиками как объекта управления. Сформирована соответствующая имитационная модель двигателя в пакете Simulink и выполнен расчет переходного процесса по углу поворота ротора машины. Рассмотрены общие принципы построения математических моделей остальных элементов модуля.
Перед формированием математического описания динамической системы целесообразно провести её декомпозицию, составить функциональную схему и выполнить поэлементный анализ. На следующем этапе необходимо сформировать для каждого из элементов систему допущений, определяющую - какие параметры объекта и физические процессы следует описать в математической модели, а какими допустимо пренебречь. При этом следует исходить из специфики решаемой задачи и конечной цели расчета.
На основе принятых допущений поэлементно формируется математическая модель системы, как правило, в виде системы дифференциальных и алгебраических уравнений, и разрабатывается структурная схема или, иначе, - структурная математическая модель системы, которая непосредственно может быть реализована средствами указанных выше программных продуктов с помощью располагаемых библиотек блоков, включающих типовые динамические звенья, математические операции и т.д.
В соответствии с одной из принятых классификаций, представленной в частности в [1], ММД на базе электрического двигателя включает в себя механическую, электрическую (электротехническую), информационную и компьютерную (электронную) части, находящиеся в постоянном взаимодействии и взаимозависимости. Рассматривая его структуру с точки зрения иерархии элементов в качестве базовой составляющей можно выделить модуль движения (МД), включающий в себя механическую и электромеханическую части, например, электрический исполнительный двигатель (ИД) с механической передачей (МП). На следующей ступени иерархии расположен электромеханический модуль движения (ЭМД) в состав которого входят, механическая, электромеханическая и электрическая части. Таким образом, в отличие от МД, состав ЭМД дополнительно включает: силовой полупроводниковый преобразователь
(СИП), датчики измерения параметров МД, электронные блоки для обработки и усиления сигналов датчиков. По сравнению с МД ЭМД дополняется информационным устройством (ИУ), преобразующим контролируемую величину в сигнал, удобный для измерения, дальнейшей передачи, хранения и обработки. Примером ЭМД может служить электрический двигатель с редуктором, дополненный СПИ и соответствующими датчиками.
В свою очередь, ММД, по сравнению с ЭМД, включает в свой состав управляющие и электронные устройства (УЭУ), а это, как правило, микропроцессорное вычислительное устройство, которое позволяет программно реализовать заданный алгоритм управления, обеспечивающий необходимый функционал ММД, а также блок цифро-аналогового преобразователя, необходимый для формирования непрерывного управляющего сигнала. Таким образом, по сути ММД с электрическим двигателем, с точки зрения элементного состава, представляет собой классический цифровой электропривод.
Функциональная схема ММД как совокупности модулей разного уровня интеграции представлена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема мехатронного модуля движения
Разработка новых образцов ММД все чаще выполняется на основе принципов модельно-ориентированного проектирования. А данная схема позволяет наглядно представить взаимосвязь и взаимозависимость элементов ММД на уровне физических параметров и соответствующих им переменных состояния, что особенно важно на этапе формирования математической модели модуля при реализации модельно-ориентированного подхода к его разработке.
Ключевым и наиболее сложным с точки зрения математического описания элементом ММД является ИД, в котором непосредственно и осуществляется процесс электромеханического преобразования энергии.
Одним из перспективных типов ИД ММД является гибридный шаговый двигатель (ГШД) широко используемый в позиционных электроприводах различного исполнения и назначения. Преимущества данного типа электрических машин рассмотрены в [2].
Вопросы построения математической модели ГШД подробно описаны в целом ряде фундаментальных работ [3], [4], [5], [6] на основе анализа которых можно выделить несколько подходов к математическому описанию данного типа двигателей, отличающихся степенью идеализации протекающих в нём физических процессов, определяемой заданной системой допущений:
• линейная математическая модель динамики электромеханической подсистемы;
• нелинейная математическая модель на основе уравнений равновесия напряжений обмоток фаз и динамики электромеханической подсистемы;
• нелинейная математическая модель на основе уравнений равновесия напряжений обмоток фаз и динамики элетромеханической подсистемы с учетом изменения магнитного потока в магнитопро-воде и воздушном зазоре машины.
Линейная математическая модель ГШД может быть проиллюстрирована кинематической схемой, представленной в [6], и показанной на Рис. 2.
Рис. 2. Кинематическая схема гибридного шагового двигателя
Из Рис. 2 следует, что инерционность ротора двигателя и нагрузки характеризуются приведенным к двигателю моментом инерции J, находящимся под воздействием момента нагрузки (сопротивления среды) М н и момента упругих сил эквивалентной пружины М (у — 0). Точка закрепления пружины
dz0 „d0 _ „ _ (!)
в момент поступления управляющего воздействия мгновенно смещается на один шаг а. Материальная точка, отражающая движение ротора двигателя, повторяет данные перемещения с механическим запаздыванием и колебаниями относительно точки закрепления, последовательно занимающей положения 0, 1, 2, ..., N. Координата дискретно перемещаемой точки закрепления задается ступенчатой функцией вида у = у(N)где N=0, 1, 2, ...; мгновенные положения ротора в неподвижной системе отсчета - углом 0;
положение ротора относительно точки закрепления - углом рассогласования 0н = у — 0 .
Таким образом, соответствующая линейная математическая модель шагового двигателя с нагрузкой может быть сформирована с учётом следующих допущений:
устойчивая ветвь статической моментной характеристики M (0) может быть аппроксимирована прямой линией, так, что в некотором диапазоне углов рассогласования 0н удельный синхронизирующий момент можно считать неизменным и уподобить жесткости эквивалентной пружины;
электрический шаг ГШД, мал по величине в сравнении с диапазоном углов рассогласования 0н, на котором приемлема линеаризация характеристики M (0);
электромагнитные переходные процессы несущественны, что имеет место, когда частота повторения команд и постоянные времени обмоток ГШД малы в сравнении с периодом собственных круговых колебаний привода.
Движение ГШД описывается линейным дифференциальным уравнением второго порядка на основе второго закона Ньютона с правой частью в виде ступенчатой функции числа команд:
J2
J—2 + D — + K0 + Mн = Ky( N) dt2 dt
где K - коэффициент внутреннего электромагнитного демпфирования; D - коэффициент вязкого трения.
Из уравнения (1) очевидно может быть сформирована передаточная функция двигателя, а коэффициенты K и D при этом могут быть получены средствами параметрической идентификации на основе анализа экспериментальных данных, например с помощью пакета расширения MATLAB - System Identification Toolbox [7].
Основным достоинством модели (1) является возможность использования при работе с ней классических методов теории автоматического управления, применяемых для линейных систем, в частности получения аналитической зависимости для логарифмических амплитудно-фазочастотных характеристик.
В качестве недостатков модели (1) следует выделить:
• модель не учитывает динамику электромагнитных процессов в обмотках;
• модель не позволяет выполнить оценку характеристик ГШД при разных способах коммутации обмоток.
Использование данной модели оправдано на этапе синтеза структуры ММД при выборе типа ГШД и проведении предварительного анализа динамических характеристик модуля.
Нелинейная математическая модель на основе уравнений равновесия напряжений обмоток фаз и динамики механической подсистемы сформирована на основе второго закона Ньютона, а также законов Кирхгофа, Фарадея и Ленца. В соответствии с указанными законами получают систему дифференциальных уравнений связи напряжений и токов в цепях ГШД с сосредоточенными параметрами и источниками электродвижущей силы (ЭДС), а также уравнение, описывающее механическое движение ротора и нагрузки. Взаимодействие и взаимосвязь электрического и магнитного полей двигателя выражается через индуктивные параметры (индуктивные сопротивления). В данном случае принимаются следующие допущения, детально описанные в работе [4]:
магнитная цепь двигателя является линейной, магнитная проницаемость стали магнитопровода машины принимается равной бесконечности (насыщение стали не учитывается), падение магнитного напряжения в стали бесконечно мало;
сердечники статора считаются гладкими, а рабочий воздушный зазор - равномерным; в расчет принимаются только основные гармоники тока, магнитодвижущей силы (МДС), потока и ЭДС, т.е. не учитывается дискретность обмоток и порождаемые ею пространственные гармоники поля;
взаимная индуктивность обмоток не учитывается;
потери на вихревые токи в магнитопроводе считаются бесконечно малыми, т.к. корпуса ротора и статора ГШД шихтованы, т.е. набраны из пластин магнитно-мягкого материала толщиной порядка 0,2
мм;
потери на перемагничивание (потери на гистерезис) в магнитопроводе также считаются бесконечно малыми, т.к. для его изготовления применяется магнитно-мягкий сплав с малыми удельными потерями на перемагничивание.
Полученные дифференциальные уравнения описывают установившиеся процессы в электрической машине и позволяют выполнять расчет статических и динамических характеристик ИД.
При составлении уравнений целесообразно использовать совокупную эквивалентную схему замещения (ЭСЗ) электрических цепей обмоток статора ГШД, представленную на Рис. 3, позволяющую наглядно представить электромагнитные процессы в двигателе учетом принятой системы допущений.
Рис. 3. Эквивалентная схема замещения электрических цепей обмоток 2-х фазного гибридного
шагового двигателя
На Рис. 3 и а , ив - напряжения фаз статора двигателя, В; -д, -в - токи фаз статора двигателя, А; Яд, В^в - сопротивления фаз статора двигателя, Ом; Ьд, Ьв - индуктивности фаз статора двигателя, Гн;Ед, Ев - противо-ЭДС фаз статора двигателя, В.
В соответствии с представленной ЭСЗ формируются стандартные уравнения равновесия напряжений обмоток статора для каждой фазы ГШД, уравнения для электро-магнитного момента, ускорения и скорости в силовой системе, составляющие математическую модель двигателя в виде системы дифференциальных уравнений 3-го порядка, принципы построения которой подробно рассмотрены в [8]:
ид = ¡дЯа + Ь^-^ + /»9);
dt
UB = iBRB + L- ropycos(p0); dt
Me = p y(i'B cos(p0) - iB sin(p0)) - Мst max sin(2p0);
(2)
Jr
ГО =
dro dt d0 dt
= Me - Mc;
где у - амплитудное значение потокосцепления фазы, Вб; 0 - угол поворота ротора, рад; го - угловая частота вращения ротора, рад/с; Jr - момент инерции ротора, кг-м2; p - число зубцов ротора; Me -
электромагнитный момент, развиваемый двигателем, Н-м; М t _ амплитудное значение статическо-
st max
го фиксирующего момента, определяемого постоянными магнитами ротора, Н-м; Mc - момент статического сопротивления вала двигателя, Н-м.
Представленная в виде системы уравнений (2) модель является нелинейной, что существенно ограничивает возможность использования классических методов теории автоматического управления, в частности, при синтезе корректирующих устройств, и при работе с моделями такого типа целесообразно использовать пакет расширения Simulink - Control System Toolbox принципы работы с которым рассмотрены в [9].
Недостатком модели (2) является также и то, что с её помощью невозможно оценить влияние конструктивных параметров на характеристики машины, что бывает необходимо на этапе выбора конкретной марки ГШД, при согласовании конструктивных параметров двигателя, изготавливаемого на заказ для разрабатываемого ММД с жесткими требованиями к характеристикам ИД, а также для исследования влияния алгоритма управления на параметры магнитной подсистемы машины, что позволит дополнительно оценить его эффективность.
Нелинейная математическая модель на основе уравнений равновесия напряжений обмоток фаз и динамики механической подсистемы с учетом изменения магнитного потока в магнитопроводе и воздушном зазоре машины является модификацией предыдущей модели, а при её формировании применяются те же допущения за исключением равномерности рабочего воздушного зазора. Методика формирования модели представлена в [10].
Сформированная система уравнений по структуре повторяет математическую модель на основе уравнений равновесия напряжений обмоток фаз и динамики механической подсистемы, однако, дополнена аналитическими зависимостями для расчета значений индуктивности L(0) и потокосцепления
у(0), которые, в свою очередь зависят от магнитных проводимостей воздушных зазоров между полюсом статора и ротором G(0).
Расчет магнитных проводимостей выполняется с помощью эквивалентной схемы замещения магнитной цепи ГШД, представленной на рис. 4.
А- А~
Рис. 4. Эквивалентная схема замещения магнитной цепи гибридного шагового двигателя
На Рис. 4 0 - угол поворота ротора двигателя; Од (0), О^ (0) - магнитные проводимости воздушных зазоров между полюсом статора и ротором соответствующей фазы, Гн; w - число витков обмотки одной фазы; Нур - фиктивная коэрцитивная сила постоянного магнита ротора, кА/м; 1т -
длина секции постоянного магнита ротора по средней линии, м.
Выражения для расчета магнитных проводимостей формируются на основе анализа геометрических соотношений в области воздушного зазора между полюсными наконечниками статора и зубцами ротора, эскиз которой представлен на рис. 5.
Рис. 5. Эскиз области воздушного зазора для одной пары зубцов статора и ротора гибридного шагового двигателя с соответствующими геометрическими соотношениями
На Рис. 5 hgrm - высота воздушного зазора между ротором и статором, м; b - ширина зубца
gup zr
ротора, м; / - длина зубца ротора, м; bzs - ширина зубца статора, м; ¿gop - ширина воздушного зазо-
zr Zjo gap
ра, м.
Соответствующие выражения для расчета магнитных сопротивлений и магнитных проводимостей представлены в виде:
RAq (б) = RBq (б) =
GA (б) =
Ga (б) =
h
((bzr/2) + 6)Uv
h
(3)
((bzr/2) + 6)Uv
k
Z (б)
k
Е (0)
где Ядед, Я^ед (0) - магнитные сопротивления воздушного зазора между одной парой зубцов ротора и
полюса статора соответствующей фазы, 1/Гн; относительная магнитная проницаемость воздуха;
к - число зубцов полюса статора.
Итоговая система уравнений нелинейной математической модели на основе уравнений равновесия напряжений обмоток фаз и динамики механической подсистемы с учетом изменения магнитного потока в магнитопроводе и воздушном зазоре машины имеет вид:
уа (0) = {ЪА w + Н и 1т )жОА (0)п;
Vв (0) = {Ив w + Ни 1т ^ (0)п; Ьа (0) = w2GA (0)п; Ьв (0) = w2Gв (0)п;
(4)
UA = iARA + La (0) ^ + (0)sin(p0); dt
UB = i5R5 + (0) ^ - шруг (0)cos(p0); dt
MЭ = vB (0)Ph cos(p0) - VA (0)iA sin(p0) - Мstmax sin(2p0);
r dш _ _ _ _ J — = M - M .
. r dt * c
где va (0)>Vg (0) - потокосцепления фаз ГШД, Вб; La (0), Lg(0) - индуктивности фаз ГШД, Гн; n -количество полюсов одной фазы статора с одинаковым значением напряжения питания. На основе данной математической модели сформирована имитационная Simulink-модель ГШД, представленная на рис. 6.
Расчет потокосцепления фаз А и В
Формирование напряжения питания
Расчет индуктивности
Расчет статического синхронизирующего момента
-|G Qocj*-
Расчет п роводимости
Частота питания
stnQ1?
№
W
Pot а
С
Pota ia Ma
sinQ*p
It
и
Ги
вбити фазы А момента фазы А
cosQ*p
Ub
w
Pot_b
Расчет параметров обмотки фазы В
Potb
ib Mb
cosi^p
Расчет составляющей момента фазы В
Ократная связь
Угол поворота ротора
Расчет параметров силовой части
Момент сопротивления
Рис. 6. Б1тн11нк-модель гибридного шагового двигателя
С помощью модели выполнен расчет динамических характеристик ГШД, результаты которого представлены на рис. 7. Выполнялось моделирование пуска ГШД для полношагового режима коммутации обмоток при частоте подачи импульсов 10 Гц.
j
- 1 jp/lftw
-
- MM/VW
,kv*v 1
•
4 2 0
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7
С
Рис. 7. Результаты расчета переходного процесса по углу поворота ротора гибридного шагового двигателя при частоте питающего напряжения 10 Гц
Сравнительный анализ полученных результатов моделирования с экспериментальными данными, представленный в частности в работе [10], показал их высокую сходимость.
При решении задач анализа и синтеза ММД математические модели МП, ИУ и СПП, как правило, реализуются в виде коэффициента передачи, которому в перечисленных выше пакетах моделирования соответствует безынерционное усилительное звено, однако, в частности, для МП зачастую бывает необходимо учитывать люфт в зубчатом зацеплении, нежесткость валов и потери на упругую деформацию.
В свою очередь для ИУ и СПП целесообразно выполнить оценку их инерционности, а для СПП дополнительно - процесса рекуперации электрической энергии. Данные вопросы подробно рассмотрены в [1].
Математическое описание УЭУ формируется в первую очередь исходя из полученной при проведении процедуры синтеза контура управления ММД передаточной функции корректирующего устройства.
Таким образом, в ходе работы рассмотрены структура и элементный состав ММД в качестве исполнительного устройства которого применяется ГШД. Описаны общие принципы построения математической модели ММД как динамической системы.
Проведен анализ нескольких известных математических моделей ГШД, и показана целесообразность формирования модели двигателя, позволяющей оценить влияние конструктивных параметров на характеристики машины, что, в частности, бывает необходимо на этапе выбора двигателя, при согласовании его конструктивных параметров, а также для оценки эффективности разработанного алгоритма управления ММД.
Сформирована имитационная Simulink-модель ГШД как элемента ММД, позволяющая выполнять расчет его динамических характеристик в различных режимах работы.
Представлены подходы к математическому описанию таких элементов модуля как МП, ИУ, СПП и УЭУ.
Результаты работы могут быть использованы при решении широко круга задач анализа и синтеза соответствующих систем ММД.
Недостатком работы является недостаточно подробное рассмотрение вопроса построения моделей МП, ИУ, СПП и УЭУ, что планируется на следующих этапах исследования.
Список литературы
1. Герман-Галкин С.Г., Карташов Б.А., Литвинов С.Н. Модельное проектирование электромеханических мехатронных модулей движения в среде SimInTech. М.: ДМК Пресс, 2021. 494 с.
2. Емельянов А.В., Шилин А.Н. Шаговые двигатели. Учебное пособие. Волгоград. ВолгГТУ, 2005. 48 с.
3. Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. М.: Энергоато-миздат. 1987. 200 с.
4. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. учебник для вузов. М.: Высшая школа. 2001. 327 с.
5. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 2001. 701 с.
6. Чиликин М.Г. Дискретный электропривод с шаговым двигателем. М.: Энергия, 1971.
624 с.
7. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМКПресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
8. Степочкин А.О. Моделирование работы шагового электрического двигателя гибридного типа в пакете Simulink // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 8. С. 308-315.
9. Перельмутер В.М. Пакеты расширения MATLAB. Control System Toolbox и Robust Control Toolbox. М.: СОЛОН - ПРЕСС, 2012. 224 с.
10. Волков С.В., Горячев О.В., Ефромеев А.Г., Степочкин А.О. Расчет параметров математической модели электрического шагового двигателя гибридного типа на основе анализа картины магнито-статического поля // Мехатроника, автоматизация и управление. 2019. Том 20. №8. С. 482-489.
Горячев Олег Владимирович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, olegvgorsau@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ефромеев Андрей Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, age.sau@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Степочкин Александр Олегович, преподаватель, s.a.o.1984@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MATHEMATICAL MODELS OF A MECHA TRONIC MOTION MODULE WITH A HYBRID STEPPER MOTOR
O.V. Goryachev, A.G. Efromeev, A.O. Stepochkin
Analysis of the elemental composition of the mechatronic motion module based on a hybrid stepper motor is performed, the features of constructing a mathematical model of the executive motor are described, as well as the specifics of the mathematical description of the remaining elements of the module. Models of a hybrid type stepper motor of varying degrees of idealization are presented. A mathematical model of a hybrid stepper motor is proposed, which makes it possible to establish a connection between its design parameters and the characteristics of the machine as an object of control. The implementation of this model in the Simulink dynamic systems modeling package is considered.
Key words: mathematical model of a mechatronic motion module, Simulink-model of a hybrid stepper
motor.
Goryachev Oleg Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, olegv-gorsau@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Efromeev Andrey Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, age.sau@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Stepochkin Alexander Olegovich, teacher, s.a.o.1984@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.91.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-536-540
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ ФИЛЬТРА КАЛМАНА
А.В. Анцев, С.В. Сальников, А.А. Арсеньева
В статье рассмотрены основные методы косвенного контроля состояния режущего инструмента и выделены оптимальные методы косвенного контроля с учетом доступности оборудования, влияния внешних факторов процесса резания, трудоемкости и стоимости проведения контроля и автоматизации процесса резания. Для комбинирования косвенных методов контроля режущего инструмента с целью повышения точности прогнозирования его износа была предложена схема оценки состояния режущего инструмента на основе фильтра Калмана, включающая две основные стадии - предсказание износа режущего инструмента и корректировка прогноза износа режущего инструмента на основе опытных данных, полученных с помощью нескольких методов косвенного контроля состояния режущего инструмента. Чтобы максимально точно контролировать состояние режущего инструмента и увеличить точность прогнозирования периода его стойкости была разработана архитектура автоматизированной системы, состоящая из следующих основных блоков: модуль сбора и обработки сигналов, система диагностики и прогнозирования состояния режущего инструмента, система графического отображения сигнала, модуль взаимодействия с системой ЧПУ. Предложенная автоматизированная система контроля состояния режущего инструмента на основе фильтра Калмана способствует увеличению качества процесса обработки детали, сокращению времени на вспомогательные операции, уменьшению материальных затрат, повышению производительности обработки деталей.
Ключевые слова: режущий инструмент, износ, косвенный контроль, фильтр Калмана, автоматизированная система.
В настоящее время современное производство на этапах механической обработки задействует автоматизированные технологические системы. Большое значение имеет применение высокоточных станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и многоцелевых обрабатывающих центров, которые обрабатывают детали сложной формы с большой точностью и высоким качеством поверхности без вмешательства человека. При этом важно отметить работу системы инструментального обеспечения автоматизированного производства, от которой напрямую зависят технологические возможности станочного оборудования [1]. Правильно подобранный инструмент - залог успеха, который способствует быстрой окупаемости затрат и повышению производительности оборудования [2].
Автоматизированные гибкие производственные системы не обходятся без применения диагностических устройств, которые осуществляют контроль основных узлов и процессов на технологическом оборудовании, в том числе на станке в процессе резания. Необходимо отметить, что при этом особое место занимает контроль состояния режущего инструмента (РИ), так как запоздалое обнаружение неисправности инструмента может привести к самым различным последствиям - от появления брака деталей при их обработке до поломки оборудования станка. Поэтому без разработки диагностических устройств, контролирующих состояние РИ, невозможна оптимизация процесса резания. Создание диагностических устройств позволит повысить точность обрабатываемых изделий, надежность контроля различных неисправностей инструмента.
