Разработка “интеллектуальных” систем термостабилизации подшипников шпиндельного узла металлорежущего станка в среде MATLAB

Магистерская диссертация студента группы НМТМ-262503 Гараева Е.С. (Институт новых материалов и технологий, Кафедра Металлорежущих станков и инструментов).

Научный руководитель: Либерман Я.Л. доцент, кандидат технических наук.

АННОТАЦИЯ

Цель работы – разработка “интеллектуальных” систем термостабилизации шпиндельного узла металлорежущего станка с искусственным интеллектом в среде MATLAB.

В работе анализируются существующие системы термостабилизации опор шпиндельных узлов металлорежущих станков и известные способы компенсации тепловых деформаций станков, возникающих при обработке резанием. Показываются достоинства и недостатки таких систем и обращается внимание на системы термостабилизации, построенные на основе нечеткой логики. Рассматриваются два новых варианта таких систем, которые разработаны аппаратно и реализующие управление по отклонению и комбинированное (по отклонению и возмущению). Обе системы реализуются программно в MATLAB. По результатам создания программ вMATLAB, была написана научная статья, которая в международном конкурсе US-2017-02 заняла 3-е место по направлению “Технические науки” в номинации “Исследовательский проект”. Диплом за 3-е место и текст статьи из сборника прикреплены в приложении.

Пояснительная записка к проекту содержит 153 листа и сопровождается 23 демонстрационными листами.

РЕФЕРАТ

В начале работы мы выявили факторы, влияющие на точность станков, и роль температурных деформаций в обеспечении точности механообработки. Отметили, что большое влияние на точность станков оказывают температурные деформации. Затем познакомились с современными способами уменьшения температурных деформаций узлов станков и с техническими средствами их реализации. Проанализировав существующие системы, мы сформулировали задачу разработки систем термостабилизации с искусственным интеллектом в MATLAB. Сначала мы разработали систему термостабилизации шпиндельного узла с управлением по отклонению в среде MATLAB, а затем, обозначив достоинства и целесообразность комбинированного управления, разработали более совершенную «интеллектуальную» систему термостабилизации шпиндельного узла с комбинированным управлением в среде MATLAB. Указали достоинства в создании таких систем в MATLAB.

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТОЧНОСТЬ СТАНКОВ И РОЛЬ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ ТОЧНОСТИ МЕХАНООБРАБОТКИ

1.1 Элементы, определяющие эксплуатационную точность станков и степень их влияния на суммарную погрешность обработки

1.2 Источники температурных деформаций узлов станков и сравнительная оценка их значимости

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ УЗЛОВ СТАНКОВ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

2.1 Охлаждение узлов в функции частоты вращения шпинделя или силы резания

2.2 Прогнозирование температурных деформаций и автоматическая компенсация температурных погрешностей станка

2.2.1 Автоматизация прогнозирования температурных перемещений исполнительных органов станка

2.2.2 Прогнозирование теплового состояния станка с помощью нейросетевого подхода

2.3 Стабилизация температуры шпиндельного узла станка, достоинства и недостатки известных систем стабилизации

2.3.1 Стабилизация температуры в прецизионных станках с помощью полупроводниковых охлаждающих устройств

2.3.2 Автоматическая компенсация тепловых деформаций на отделочно- расточном станке

2.3.4 Система термостабилизации шпиндельного узла по патенту Я.Л.Либермана No102553

2.3.5 Система термостабилизации шпиндельного узла по патенту Я.Л.Либермана No116387

2.4 Выводы и постановка задач работы (обоснование систем термостабилизации с искусственным интеллектом)

ГЛАВА 3. НЕЧЕТКАЯ ЛОГИКА КАК БАЗА ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ С ИСКУСТВЕННЫМ ИНТЕЛЛЕКТОМ

3.1 Сущность математического аппарата нечеткой логики и его возможности

3.1.1 Основы фаззи-логики

3.1.2 Системы нечеткого вывода

3.2 Принципы построения систем управления на основе нечеткой логики 58

3.3 Возможные варианты применения нечеткой логики для построения «интеллектуальных» систем термостабилизации шпиндельного узла

ГЛАВА 4. СИСТЕМА MATLAB КАК АППАРАТ ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ПОДШИПНИКОВ СТАНОЧНОГО ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕЧЁТКОЙ ЛОГИКИ

4.1. Общие сведения о программе

4.2. Процесс разработки системы нечёткого вывода в системе

4.3. Редактор систем нечёткого вывода FIS

4.4. Редактор функций принадлежности

4.5. Редактор правил систем нечёткого вывода

4.6. Программа просмотра правил системы нечёткого вывода

4.7. Программа просмотра поверхности системы нечёткого вывода

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ» СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА С УПРАВЛЕНИЕМ ПО ОТКЛОНЕНИЮ В СРЕДЕ MATLAB

4.1 Формирование принципа построения системы и базы правил

4.2 Разработка алгоритма функционирования системы и синтез фаззи- регулятора

4.3 Описание устройства и работы системы и пример ее функционирования

4.4 Конструктивная проработка высокоскоростного шпиндельного узла с применением «интеллектуальной» системы термостабилизации с управлением по отклонению

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ» СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА С КОМБИНИРОВАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

6.1 Достоинства комбинированного управления по сравнению с управлением по отклонению и целесообразность разработки системы с комбинированным управлением

6.2 Формирование принципа построения системы и базы правил

6.3 Разработка алгоритма функционирования системы и синтез фаззи- регулятора

6.4 Описание устройства и работы системы и пример ее функционирования

6.5 Конструктивная проработка высокоскоростного шпиндельного узла с применением «интеллектуальной» системы термостабилизации с комбинированным управлением

6.5.1 Электрошпиндель шлифовального станка

6.5.2 Динамометрический шпиндельный узел фрезерного станка

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

ВВЕДЕНИЕ

Металлорежущие станки являются основным видом машиностроительного оборудования, предназначенным для производства современных машин, приборов, инструментов и других изделий.

Известно, что при эксплуатации металлорежущих станков вследствие различных температурных деформаций возникают погрешности обработки деталей. Для их уменьшения разработаны различные методы и системы термостабилизации, в том числе реализованные аппаратно системы термостабилизации подшипников мотор-шпинделя станка, основанные на базе нечеткой логики.

Разработанные “интеллектуальные” системы термостабилизации подшипников станочного мотор-шпинделя на базе нечеткой логики нацелены на реализацию в станках, быстроходность мотор-шпинделя в которых достигает ? = (2 − 3) ∙ 104 об/мин. Такие системы имеют точность и быстродействие, достаточные для осуществления процесса термостабилизации подшипников, однако их трудно адаптировать к конкретным условиям их использования на разных станках.

Для того, чтобы повысить гибкость системы, упростить и расширить возможности их изменения, их целесообразно реализовать программно, причем в системе MATLAB, которая дает возможность не только повысить упомянутую гибкость, но и наглядно следить за состоянием подшипников в каждый текущий момент времени.

Таким образом, целью данной работы является разработка систем термостабилизации шпиндельного узла металлорежущего станка с искусственным интеллектом в среде MATLAB.

 

Данный материал взят из электронного научного архива Уральского Федерального Университета.

Полный текст работы вы можете скачать ниже в разделе "файлы".