Автоматизовані системи управління робочими рухами верстатів для підвищення ефективності технологічних процесів металообробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

АВТОМАТИЗОВАНІ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ РОБОЧИМИ РУХАМИ ВЕРСТАТІВ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ МЕТАЛООБРОБКИ

Водічев Володимир Анатолійович

Одеса - 2005

Анотації

Водічев В.А. Автоматизовані системи управління робочими рухами верстатів для підвищення ефективності технологічних процесів металообробки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація технологічних процесів. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2004.

Дисертацію присвячено вирішенню науково-прикладної проблеми обґрунтування методів управління та розробки принципів побудови автоматизованих систем управління робочими рухами верстатів, які забезпечують підвищення продуктивності, економічної і енергетичної ефективності технологічних процесів металообробки. Для оптимізації процесу силового шліфування розроблено метод управління рухом подачі верстатів, який передбачає визначення складових аналітичних залежностей періоду стійкості інструмента і потужності різання від швидкості подачі і визначення з використанням математичної моделі значення цієї швидкості, яке відповідає екстремуму критерію оптимізації. Розроблені принципи побудови адаптивних систем стабілізації потужності різання при фрезеруванні і стабілізації швидкості і потужності різання при точінні з взаємозв'язаним управлінням швидкостями робочих рухів верстатів, а також системи для підтримки потужності різання в заданих межах при управлінні швидкістю подачі. Запропоновані методи і спостережні пристрої для обчислення коефіцієнта передачі процесу обробки. Розроблені методи розрахунку параметрів регуляторів для систем стабілізації потужності і швидкості різання.

Ключові слова: автоматизована система управління, технологічний процес металообробки, верстат, подача, головний рух, оптимізація, стабілізація.

Водичев В.А. Автоматизированные системы управления рабочими движениями станков для повышения эффективности технологических процессов металлообработки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация технологических процессов. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2004.

Диссертация посвящена решению научно-прикладной проблемы обоснования методов управления и разработки принципов построения автоматизированных систем управления рабочими движениями станков, которые обеспечивают повышение производительности, экономической и энергетической эффективности технологических процессов металлообработки.

Проведен расчет и анализ зависимостей показателей, характеризующих производительность, экономическую и энергетическую эффективность процессов обработки от скоростей рабочих движений станков шлифовальной, фрезерной, токарной групп, который позволил сформулировать принципы управления процессами обработки на этих станках с целью повышения их эффективности.

Для решения задачи многокритериальной оптимизации технологических процессов металлообработки предложен обобщенный критерий, который учитывает производительность, удельное энергопотребление станка и себестоимость обработки. Для оптимизации процесса силового шлифования по этому критерию разработан метод управления скоростью подачи станка, который предусматривает на основе пробных воздействий на процесс обработки путем изменения скорости подачи определение составляющих аналитических зависимостей периода стойкости инструмента и мощности резания от скорости подачи и определение с использованием математической модели значения скорости, которая соответствует экстремуму критерия оптимизации процесса обработки. Разработан алгоритм управления скоростью подачи, который реализуется устройством числового программного управления на базе компьютера.

Установлена закономерность в управлении технологическим процессом фрезерования, которая заключается в том, что стабилизация мощности резания при взаимосвязанном управлении частотой вращения фрезы и скоростью подачи обеспечивает более высокую производительность обработки, уменьшает ее себестоимость и удельное энергопотребление станка по сравнению с управлением только скоростью подачи. Выполнен структурный синтез адаптивных систем стабилизации мощности резания с параметрической обратной связью и взаимосвязанным управлением скоростями рабочих движений станка. Для этих систем разработаны три типа наблюдающих устройств для вычисления текущего значения коэффициента передачи процесса обработки для организации параметрической обратной связи и метод согласования скорости подачи и частоты вращения фрезы. Эти системы обеспечивают ведение процесса обработки в режиме, который соответствует технологическим и техническим ограничениям по допустимой подаче, номинальной мощности двигателя главного движения и желаемой величине периода стойкости инструмента. Количественные показатели возрастания эффективности обработки зависят от обрабатываемого материала, инструмента и мощности электропривода главного движения станка.

Разработан принцип построения системы управления скоростью подачи для поддержания мощности фрезерования в заданных пределах и сформулированы условия устойчивости такой системы. Разработан аналого-цифровой регулятор для станков с числовым программным управлением, обеспечивающий поддержание мощности резания в заданных пределах в условиях динамической нестабильности процесса обработки при наличии периодической составляющей этой мощности. Экспериментально установлено, что применение регулятора позволяет сократить время обработки на 28% по сравнению с обработкой при постоянной скорости подачи.

Разработана система взаимосвязанного управления скоростями рабочих движений, в которой стабилизация скорости резания обеспечивается за счет управления частотой вращения заготовки, а мощности резания - путем управления скоростью подачи, что обеспечивает выполнение технологического процесса обработки поверхностей точением в условиях изменения диаметра и глубины резания при больших значениях показателя производительности, чем при стабилизации скорости резания и подачи.

Для систем стабилизации мощности и скорости резания разработаны методы расчета параметров регуляторов и статических характеристик. Предложенный метод расчета статических характеристик системы стабилизации мощности резания позволяет более точно спрогнозировать статическую ошибку системы по сравнению с известным методом, при использовании которого фактическая статическая ошибка на 30% превышает расчетную.

Проведены исследования всех разработанных систем управления рабочими движениями станков на математических моделях. Системы стабилизации мощности резания и поддержания этой мощности в заданных переделах при управлении скоростью подачи исследованы экспериментально на сверлильно-фрезерном станке.

Ключевые слова: автоматизированная система управления, технологический процесс металлообработки, станок, подача, главное движение, оптимизация, стабилизация.

Vodichev V.A. Automatic control systems of working movements of machine tools for increase of efficiency of technological processes of metal cutting. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of doctor of engineering science on a specialty 05.13.07 - automation of technological processes. - The Odessa national polytechnic university, Odessa, 2004.

The dissertation is devoted to the solution of a scientific - applied problem of a substantiation of methods of control and development of principles of construction of control systems of working movements of machine tools, which provide increase of productivity, economic and energetic efficiency of technological processes of metal cutting. For optimization of process of force grinding the method of control of feed motion of machine tools is developed, which provides definition of analytical dependences of the period of resistance of the tool and cutting power from feed speed and definition with use of mathematical model value of this speed, which corresponds to extremum of criterion of optimization. Principles of construction of adaptive systems for stabilization of cutting power are developed for milling and stabilization of cutting speed and power for turning with the interconnected control of working movements speed of machine tools, and also system for maintenance of cutting power in the given limits with feed speed control. Methods and observing devices for calculation of factor of transfer of processing are offered. Methods of calculation of parameters of regulators for systems of stabilization of power and speed of cutting are developed. Investigations of the developed systems are executed on mathematical models and the boring-and-milling machine tool.

Key words: the automated control system, technological process of metal cutting, the machine tool, feed, primary motion, optimization, stabilization.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У машинобудуванні більшість деталей, що необхідні для виробництва машин, проходить обробку на металообробних верстатах. Ефективність технологічних процесів металообробки (ТПМО) визначається успішністю отримання деталей з заданими формою, розмірами і якістю поверхні на наявних у підприємств верстатах при мінімально можливих витратах часу, коштів і енергії. Від ефективності технологічних процесів металообробки залежить конкурентоспроможність продукції машинобудівної промисловості в цілому. Ефективність ТПМО залежить від багатьох факторів, зокрема на неї суттєво впливають збурення, які діють під час обробки. Основними з них є зміни величини припуску, що знімається, твердості заготівки, що обробляється, і стану інструмента. Під дією збурень змінюються значення показників ефективності ТПМО. Одним з можливих шляхів підвищення ефективності ТПМО є управління під час обробки швидкостями робочих рухів верстатів. Розробці систем управління ТПМО, які підвищують ефективність обробки на верстатах як з числовим програмним управлінням (ЧПУ), так і без нього, сприяли роботи низки наукових колективів в Україні і за кордоном. Проте, відсутні методи управління і принципи побудови систем управління робочими рухами верстатів різних груп, які б забезпечували комплексне розв'язання проблеми підвищення ефективності ТПМО з позицій врахування продуктивності, собівартості і енергетичних витрат при обробці. Існують протиріччя в підходах до реалізації систем, що забезпечують оптимізацію управління ТПМО на верстатах різних груп. Залишаються також резерви удосконалення систем управління робочими рухами верстатів щодо поліпшення їх статичних і динамічних характеристик. Тому необхідні подальші дослідження, які направлені на розробку критеріїв оптимізації режимів обробки з урахуванням не тільки продуктивності і собівартості обробки, але також і витрат енергії на здійснення процесу обробки, нових методів управління робочими рухами верстатів, які забезпечують виконання ТПМО у оптимальних за обраним критерієм чи наближених до оптимальних режимах, принципів побудови автоматизованих систем управління, які реалізуватимуть ці методи управління.

Отже, з одного боку, машинобудівна промисловість потребує підвищення ефективності ТПМО, а з іншого - це стримується відсутністю відповідних методів управління і принципів побудови систем управління робочими рухами верстатів. Тому це є актуальною науково-прикладною проблемою, вирішення якої сприятиме підвищенню продуктивності, зменшенню собівартості і витрат енергії при виконанні ТПМО на металообробних верстатах і підвищенню конкурентоспроможності продукції машинобудівної промисловості. Тема дисертаційної роботи, яка присвячена розв'язанню вказаної проблеми, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів науково - дослідних робіт кафедри електромеханічних систем з комп'ютерним управлінням Одеського національного політехнічного університету. Тематика робіт відповідає пріоритетному напряму розвитку науки і техніки на період до 2006 р. „Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, визначеному в Законі України від 11 липня 2001 р. № 2623-111 „ Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки”.

Автор протягом 1989 - 2004 рр. брав участь як відповідальний виконавець у таких науково - дослідних роботах: № 242-52 (номер державної реєстрації 01870035642) „Розробка і дослідження пристрою адаптивного управління режимами обробки у гнучкому виробничому модулі ”, № 82-52 (номер державної реєстрації 0193U007641) „Дослідження електромеханічних систем технологічних процесів металообробки”. Як виконавець брав участь у роботах: №291-52 (номер державної реєстрації 01880005394) „Розробка і створення адаптивного пристрою контролю поломки і затуплення інструменту для свердлильно - фрезерно-розточувальних верстатів”, № 436-52 (номер державної реєстрації 0103U000034) „Розробка і дослідження систем енергозберігаючого управління асинхронними електроприводами”. Був науковим керівником роботи №527-52 (номер державної реєстрації 0103U001822) „Розробка і дослідження автоматизованих систем управління робочими рухами верстатів для підвищення ефективності технологічних процесів металообробки”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є обґрунтування методів управління та розробка принципів побудови і методів розрахунків автоматизованих систем управління робочими рухами верстатів, які забезпечують підвищення продуктивності, економічної і енергетичної ефективності технологічних процесів металообробки.

Для досягнення цієї мети у дисертації розв'язані наступні задачі:

- проаналізовані відомі і розроблено новий критерій ефективності технологічних процесів металообробки;

- розроблені методи управління робочими рухами верстатів для підвищення ефективності ТПМО;

- розроблені структури автоматизованих систем управління робочими рухами верстатів, які забезпечують виконання ТПМО у режимах, що наближені до оптимальних;

- розроблені методи розрахунку параметрів автоматизованих систем управління робочими рухами верстатів і характеристик цих систем в усталених режимах;

- виконані моделювання розроблених систем управління і оцінка їх динамічних характеристик;

- проведено експериментальне дослідження систем управління на верстатах.

Об'єктом дослідження є технологічні процеси металообробки.

Предметом дослідження є автоматизовані системи і методи управління робочими рухами металообробних верстатів.

Методи досліджень. У теоретичних дослідженнях застосовано основні положення технології машинобудування, математичного аналізу, теорії автоматичного управління, а саме - аналіз стійкості лінійних систем за логарифмічними частотними характеристиками, алгебраїчний критерій стійкості лінеаризованої системи, метод гармонічної лінеаризації при синтезі параметрів нелінійної системи управління металообробкою, прямий метод Ляпунова при синтезі адаптивних систем стабілізації потужності обробки. Аналіз статичних і динамічних характеристик розроблених систем виконано на математичних моделях з застосуванням чисельних методів розв'язання диференціальних рівнянь і метода дихотомії для пошуку екстремуму функції. Експериментальні дослідження проведені у виробничих умовах на свердлильно-фрезерному верстаті.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше запропоновано узагальнений критерій оптимізації технологічних процесів металообробки, який, крім продуктивності і собівартості обробки, враховує також і питоме енергоспоживання верстата. Для технологічного процесу силового шліфування виявлена екстремальна залежність цього критерію від швидкості подачі верстата і показано, що вплив збурень викликає невизначеність розташування екстремуму цієї залежності, що потребує пошуку оптимального режиму під час обробки.

2. Вперше розроблено метод автоматичного управління рухом подачі, який передбачає на основі випробувальних дій на технологічний процес силового шліфування визначення поточних значень складових аналітичних залежностей періоду стійкості інструмента і потужності обробки від швидкості подачі і з використанням одержаної математичної моделі процесу розрахунок значення цієї швидкості, що відповідає екстремуму критерію оптимізації процесу обробки.

3. Вперше встановлено нову закономірність в управлінні технологічним процесом фрезерування, яка полягає у тому, що стабілізація потужності різання при взаємозв'язаному управлінні швидкостями робочих рухів верстатів забезпечує більш високу продуктивність обробки, зменшує її собівартість і питоме енергоспоживання верстата у порівнянні управлінням тільки швидкістю подачі. Виконано структурний синтез автоматизованої системи управління швидкістю подачі і частотою обертання фрези і запропоновано метод узгодження цих швидкостей з урахуванням технічних і технологічних обмежень.

4. Вперше розроблено принцип побудови автоматизованої системи управління швидкістю подачі фрезерних верстатів з ЧПУ для підтримки потужності обробки у заданих межах і сформульовані умови стійкості такої системи.

5. Дістали подальший розвиток методи обчислення коефіцієнта передачі об'єкта управління в процесі обробки для організації параметричного зворотного зв'язку у адаптивних системах стабілізації потужності різання.

6. Вперше встановлено нову закономірність в управлінні технологічним процесом токарної обробки, при цьому доведено, що при стабілізації швидкості і потужності різання забезпечується більша продуктивність технологічного процесу обробки поверхонь в умовах зміни діаметра і глибини різання, ніж при стабілізації швидкості різання і подачі. Запропоновано принцип побудови автоматизованої системи взаємозв'язаного управління швидкістю подачі і частотою обертання заготівки, яка забезпечує стабілізацію швидкості і потужності різання.

7. Дістали подальший розвиток методи синтезу параметрів регуляторів у автоматизованих системах управління ТПМО, які стабілізують потужність і швидкість різання, і розрахунку статичних характеристик цих систем.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблений алгоритм управління рухом подачі плоскошліфувальних верстатів дозволяє забезпечити багатокритеріальну оптимізацію процесу силового шліфування з врахуванням продуктивності верстата, його питомого енергоспоживання і собівартості обробки. Застосування алгоритму дозволяє в півтора рази скоротити тривалість пошуку оптимального режиму обробки і підвищити точність підтримки екстремуму критерію ефективності у порівнянні з відомим алгоритмом крокового пошуку.

2. Запропоновані системи стабілізації потужності різання з взаємозв'язаним управлінням швидкостями робочих рухів фрезерних верстатів забезпечують виконання ТПМО при більшій продуктивності, менших собівартості і питомому енергоспоживанні, ніж в системах з управлінням тільки швидкістю подачі. При відсутності на верстаті регульованого електропривода головного руху запропоновані системи стабілізації потужності різання стабілізують потужність різання шляхом управління лише швидкістю робочого руху подачі, забезпечуючи при цьому кращі динамічні показники, ніж відомі системи, і підтримуючи потужність в усталеному режимі без похибки.

3. Запропонована система стабілізації швидкості і потужності різання для верстатів токарної групи забезпечує виконання ТПМО торцевих, конічних і фасонних поверхонь з більш високою продуктивністю і на окремих ділянках заготівки з меншим питомим енергоспоживанням верстата, ніж відомі системи стабілізації швидкості різання і подачі.

4. Розроблений аналого-цифровий регулятор для верстатів з ЧПУ дозволяє підтримувати потужність обробки у заданих межах в умовах оборотного биття фрези і забезпечує підвищення продуктивності верстата за рахунок скорочення машинного часу.

5. Розроблені інформаційні пристрої для контролю поточного навантаження асинхронних двигунів головного руху верстатів відрізняються від відомих більшою швидкодією, їх застосування поліпшує динамічні показники систем стабілізації потужності обробки.

6. Розроблені методи розрахунку параметрів регуляторів і статичних характеристик систем стабілізації потужності і швидкості різання, а також комплекс програм розрахунку показників ефективності ТПМО і комп'ютерні моделі для аналізу перехідних процесів у цих системах дозволяють проводити попередню оцінку підвищення ефективності обробки і якості регулювання перед застосуванням систем для обробки конкретних видів заготівок на верстатах.

7. Запропоновані технічні рішення і рекомендації з застосування розроблених систем управління робочими рухами верстатів підвищують в цілому технічний рівень і конкурентоспроможність верстатів шліфувальної, фрезерної, токарної і свердлильної груп на внутрішньому і зовнішньому ринках, забезпечуючи можливість виконання ТПМО з більшою продуктивністю, меншою собівартістю і меншим питомим енергоспоживанням.

Результати роботи передано проектним організаціям відповідного профілю і впроваджено при проектуванні верстатів в Одеських СКБ алмазно-розточувальних і радіально-свердлильних верстатів, СКБ спеціальних верстатів, ВАТ „ Мікрон”. Система стабілізації потужності різання і аналого-цифровий регулятор для верстата з ЧПУ пройшли промислові випробування на Одеському заводі радіально - свердлильних верстатів. Розроблені системи управління робочими рухами верстатів прийняті для впровадження Українським науково-дослідним інститутом верстатів, інструментів і приладів, заплановано їх застосування як під час проектування нових, так і при модернізації діючих на підприємствах металообробних верстатів.

Результати роботи використовуються в навчальному процесі ОНПУ, зокрема - у курсі лекцій і лабораторному практикумі з дисципліни „Електрообладнання верстатів і автоматизація металообробки”, у курсовому і дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї і розробки, які виносяться на захист, належать авторові. У наукових працях, які опубліковані зі співавторами, автору належать [1, 2] - структури автоматизованих систем і алгоритми управління процесом металообробки, результати дослідження систем на моделях і верстатах; [26, 27, 29, 30] - ідеї винаходів; [31, 33, 35, 37, 38, 39] - розробка регуляторів і пристроїв корекції, дослідження систем управління на моделях і верстатах; [5, 34, 36] - структури вимірювальних перетворювачів і їх експериментальне дослідження.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися і обговорювалися на конференціях, нарадах і семінарах: V Всесоюзній науково-технічній конференції „Динамічні режими роботи електричних машин і електроприводів” (Каунас, 1988); Всесоюзній науково-технічній нараді „Проблеми управління промисловими електромеханічними системами” (Ульянівськ, 1989); 11 і 13 Міжнародних наукових симпозіумах „Електротехніка і електроніка” (Зелена Гура, Польща, 1989, 1991); Всесоюзній науково-технічній конференції „Сучасні методи и засоби перетворення режимних параметрів енергосистем” (Челябінськ, 1990); XI Всесоюзній науково-технічній конференції з проблем автоматизованого електропривода (Суздаль, 1991); 2-й Українській конференції з автоматичного керування „Автоматика-95” (Львів, 1995); Міжнародній конференції з управління „Автоматика-2001” (Одеса, 2001); Міжнародній конференції по автоматичному управлінню „Автоматика-2004” (Київ, 2004); Міжнародних конференціях „Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія и практика” (Харків - Алушта, 1995, 2003); 2-й Міжнародній науково-технічній конференції „Інформаційна техніка та електромеханіка” (Луганськ, 2003); Міжнародній науково-технічній конференції „Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (Кременчук, 2003); науково-технічній конференції з міжнародною участю „Електромашинобудування та електрообладнання” (Одеса, 2004), семінарі „Електропривод з цифровим і цифро-аналоговим управлінням” (Ленінград, ЛДНТП, 1991); Х семінарі „Моделювання у прикладних наукових дослідженнях” (Одеса, ОНПУ, 2003); постійно діючому семінарі НАН України „Проблеми цифрового управління вентильними електроприводами та системи оптимізації технологічних процесів” (Одеса, ОНПУ, 1998 - 2000, 2002 - 2004).

Публікації. За результатами виконаних у дисертаційній роботі досліджень опубліковано 2 монографії, 23 статті (22 одноосібних) в наукових фахових журналах і збірниках наукових праць, 5 авторських свідоцтв на винаходи, 12 тез доповідей у матеріалах науково-технічних конференцій і семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 185 найменувань та додатків, в яких наведені програми розрахунків показників ефективності, моделі елементів систем управління, що використані при проведенні досліджень, і документи, що підтверджують впровадження результатів роботи. Повний обсяг дисертації - 356 сторінок, з яких 297 сторінок основної частини, 22 сторінки списку використаних джерел і 37 сторінок додатків.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано необхідність проведення досліджень, сформульовано мету та основні задачі роботи, викладена наукова новизна і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі „Аналіз існуючих систем управління технологічними процесами металообробки, постановка задач дослідження” виконано аналіз стану питань і проблем управління процесами металообробки. Питанням створення систем управління робочими рухами верстатів для підвищення ефективності металообробки присвячені дослідження українських і російських вчених: О.М. Абакумова, Б.С. Балакшина, Б.М. Базрова, М.І. Коваля, А.В. Коробко, О.М. Коритіна, В.С. Коцюбинського, В.П. Ларшина, В.М. Міхелькевича, В.М. Подураєва, Ю.М. Соломенцева, В.І. Солода, В.Л. Сосонкіна, В.К. Старкова, М.М. Тверського, В.А. Тимирязєва, В.А. Ратмирова, І.Б. Рубашкіна, М.К. Шапарева, О.В. Якімова та інших. Ними отримані істотні результати в розробках систем управління металообробкою, що забезпечують підвищення її продуктивності і точності.

Проведений аналіз показав, що проблема створення систем управління робочими рухами верстатів для підвищення ефективності ТПМО з позицій врахування продуктивності, собівартості і енергетичних витрат при обробці не знайшла комплексного вирішення. Невирішеною залишається низка задач управління ТПМО, є також питання, які розглянуті неповно чи при висвітленні яких маються протиріччя, і тому вони потребують подальших досліджень. Так, при оптимальному управлінні процесами металообробки пропонується використовувати однин з критеріїв: собівартості чи продуктивності процесу, а як багатокритеріальна задача оптимізації режиму металообробки не розглядається. Не розглянуті питання впливу різних методів і систем управління процесом металообробки на питоме енергоспоживання верстата. Це обумовлює необхідність розробки відповідних критеріїв оптимізації процесів металообробки з урахуванням їх енергетичної ефективності і дослідження шляхів оптимізації процесів обробки як за показником енергетичної ефективності, так і шляхів багатокритеріальної оптимізації з урахуванням також показників продуктивності і собівартості обробки.

Розроблені для оптимізації технологічного процесу силового шліфування системи управління швидкістю подачі використовують метод крокового пошуку екстремуму, який не забезпечує малу тривалість пошуку при високій точності підтримки екстремуму показника ефективності. Тому необхідна розробка нового, більш ефективного методу управління.

Для підвищення продуктивності технологічних процесів обробки на фрезерних верстатах у літературі пропонуються як системи оптимізації з пошуком екстремуму показника ефективності, так і системи, які забезпечують режим обробки, що відповідає роботі на межі області швидкостей робочих рухів, що припустима за технічними і технологічними обмеженнями. Реалізація пошукових систем можлива за умови розташування глобального екстремуму показників ефективності у області припустимих швидкостей робочих рухів. А системи „межевої” оптимізації передбачають знаходження екстремуму за межами цієї області. Технічна реалізація останніх систем з самоорганізацією є достатньо складною і можлива тільки на верстатах з комп'ютерними пристроями ЧПУ. Проте, відомі технічні пристрої визначають умови зміни структури системи управління з невисокою точністю, що суттєво зменшує ефективність застосування систем з самоорганізацією. Технічну реалізацію пошукових систем для управління процесами обробки фрезеруванням гальмує відсутність надійних пристроїв для прогнозування складових критеріїв оптимізації процесу обробки. Крім того, для багатьох видів обробки оптимальні значення швидкостей робочих рухів верстата знаходяться за межами встановлених обмежень щодо потужності привода головного руху чи раціонального значення періоду стійкості інструмента. Тому необхідні подальші дослідження залежностей показників ефективності фрезерування від частоти обертання фрези і швидкості подачі, розробка методів і систем управління швидкостями цих робочих рухів для оптимізації процесів фрезерування.

Деяким видам обробки властива динамічна нестабільність, яка виявляється в тому, що в усталеному режимі при незмінних величинах керуючих і збурюючих дій потужність різання не є постійною, а має і періодичну складову. Наприклад, при обробці фрезеруванням це може бути обумовлене биттям зубів фрези. Для таких умов обробки потрібна розробка систем управління і методів синтезу параметрів регуляторів за умовою стійкості системи. Необхідна розробка пристроїв для технічної реалізації таких систем на діючих верстатах з програмним управлінням без втручання в базове програмне забезпечення пристрою ЧПУ.

Для підвищення продуктивності легких і недорогих верстатів фрезерної і свердлильної груп не оснащених регульованими приводами головного руху застосовуються системи стабілізації потужності обробки з управлінням тільки швидкістю подачі. Метод синтезу регуляторів відомих систем не враховує нелінійну залежність регульованої координати процесу обробки від керуючої дії, якою є швидкість подачі. Тому потрібні оцінка впливу такого методу синтезу на значення статичної похибки системи і удосконалення методу синтезу регулятора за умовою отримання заданої статичної похибки системи. Потрібна також розробка пристроїв корекції, які забезпечать високі динамічні показники таких систем при достатньо простій реалізації, яка не викличе суттєвого підвищення вартості верстата. Потрібна розробка швидкодіючих датчиків потужності асинхронних двигунів головного руху верстатів, застосування яких сприятиме поліпшенню динамічних характеристик систем стабілізації потужності обробки.

Для підвищення продуктивності і точності обробки торцевих, конічних і фасонних поверхонь на верстатах токарної і шліфувальної груп застосовуються системи стабілізації швидкості різання і швидкості деталі. Необхідна також розробка і дослідження систем, що забезпечують підвищення ефективності обробки таких поверхонь в умовах зміни не тільки діаметра, а також і глибини обробки. Потрібні розробка методів синтезу параметрів регуляторів таких систем і проведення порівняльного аналізу їх статичних характеристик з характеристиками відомих систем стабілізації швидкості різання і подачі.

Для всіх вказаних вище систем необхідно розробити математичні моделі, які б дозволили за допомогою персонального комп'ютера розраховувати показники ефективності ТПМО і виконувати аналіз динамічних характеристик систем при обробці заготівок різної конфігурації з різноманітних матеріалів різними інструментами.

Вказане вище обумовило мету і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі ”Аналіз критеріїв оптимізації технологічних процесів металообробки і розробка методів управління робочими рухами верстатів різних груп” виконано аналіз залежностей основних критеріїв оптимізації ТПМО від швидкостей робочих рухів верстатів шліфувальної, фрезерної і токарної груп. Розроблені методи управління швидкостями робочих рухів верстатів, які забезпечують ведення ТПМО у оптимальному чи наближеному до оптимального режимі.

Основними критеріями ефективності ТПМО є мінімальна собівартість, максимальна продуктивність і мінімальне питоме енергоспоживання. Собівартість обробки визначається вартістю знімання металу з урахуванням вартості інструмента, віднесеною до об'єму металу, що знятий за період стійкості інструмента; продуктивність - об'ємом металу, що знятий за період стійкості інструмента, віднесеним до періоду стійкості з урахуванням тривалості зміни інструмента; питоме енергоспоживання визначається кількістю енергії, що витрачена на виконання процесу обробки за період стійкості інструмента, віднесеною до об'єму металу, що знято за цей період.

При управлінні процесами металообробки в умовах зміни збурень використовують миттєві оцінки ефективності. Щоб всі критерії мали однаковий напрям оптимізації (максимум), показники ефективності процесу обробки доцільно представити наступним чином.

Показник економічної ефективності

,(1)

де Q - швидкість знімання металу, мм³/хв;

Т - миттєва оцінка періоду стійкості інструмента, хв;

С_с - собівартість хвилини роботи верстата, коп.;

t_зм - тривалість зміни інструмента, хв;

С_і - вартість інструмента за період стійкості, коп.

Показник продуктивності

. (2)

Показник енергетичної ефективності

,(3)

де Р_z - потужність обробки, кВт.

Показники J_с, J_п, J_е є функціями величин Q, Р_z і Т, які, в свою чергу, залежать від швидкостей робочих рухів верстатів і збурюючих дій, до яких відносяться зміни глибини і ширини обробки, стану інструмента, твердості оброблюваної заготівки та ін. Тобто ці показники і є власне цільовими функціями, максимальне значення яких відповідає оптимальному за тим чи іншим критерієм режиму металообробки.

Якісна оцінка залежностей значень показників J_с, J_п, J_е від швидкостей робочих рухів верстатів шліфувальної, фрезерної і токарної груп проведена з використанням емпіричних степеневих залежностей періоду стійкості інструменту і потужності різання від параметрів обробки. Встановлено, що при силовому шліфуванні заготівок із сталі залежності J_е, як і відомі залежності показників J_с, J_п, утворюють екстремальні поверхні відгуку з гребенем, який майже паралельний осі частоти обертання стола n_с, а екстремум відносно швидкості вертикальної подачі верстата S виражений явно. Але екстремалі при оптимальному управлінні за різними показниками відносно швидкості подачі не збігаються. Тому режим обробки, який є оптимальним за одним з критеріїв, не є оптимальним за іншими критеріями.

Наявність області точок оптимальних за Парето, де наведена залежність від швидкості подачі нормалізованих значень показників ефективності силового шліфування

де J_по, J_ео, J_со - максимальні значення показників ефективності металообробки при максимальному значенні частоти обертання стола у межах припустимих значень швидкості подачі.

Область точок оптимальних за Парето знаходиться між максимумами показників f_с і f_е.

Залежність нормалізованих значень показників ефективності одне від одного у діапазоні припустимих значень швидкостей робочих рухів верстата S i n_с утворює поверхню, яка має точку найбільш віддалену від початку координат. Тому багатокритеріальну задачу оптимізації режиму металообробки можна звести до однокритеріальної, використавши узагальнений критерій

,(4)

де а_п, а_е, а_с - вагові коефіцієнти, що задають значущість кожного критерію.

Оптимальним за критеріями максимальної продуктивності, мінімальної собівартості і мінімального питомого енергоспоживання буде режим обробки, якому відповідає максимум узагальненого критерію. Виконані розрахунки показали, що залежність F(S, n_с) утворює поверхню з гребенем. Максимального значення залежність F(S, n_с) набуває при максимальній частоті обертання стола. Тому при багатокритеріальній оптимізації процесу силового шліфування на верстатах з круглим столом і вертикальним шпинделем доцільно під час обробки управляти швидкістю подачі верстата, встановивши на цикл обробки постійну величину частоти обертання стола, яка відповідатиме максимально припустимій для даного оброблюваного матеріалу швидкості деталі, що рекомендується технологічними довідниками.

Одним з основних випадкових збурень, що діють на процес силового шліфування, є зміна швидкості зносу круга, який працює у режимі самозаточування, тому коефіцієнт С_Т і показники степеня у емпіричних залежностях стійкості круга від швидкостей робочих рухів верстата можуть змінюватись не тільки при зміні оброблюваного матеріалу, марки інструмента і ширини обробки, але і при обробці однакових деталей і навіть під час обробки однієї деталі. Зміна коефіцієнта С_Т суттєво впливає на розташування екстремуму узагальненого критерію відносно швидкості подачі. Тому точне положення екстремуму критерію F відносно швидкості подачі може бути визначене тільки під час обробки на підставі контролю фактичної швидкості зносу інструмента.

Для оптимального управління процесом силового шліфування на верстатах з круглим столом і вертикальним шпинделем запропоновано метод, який полягає в наступному. Під час обробки при знятті перших двох умовних шарів металу висотою ДL здійснюються випробувальні дії на процес обробки шляхом зміни швидкості подачі. За сигналами датчиків визначаються переміщення ДХ_і і швидкість зносу S_hi шліфувального круга, а також енергія А_і, яка споживана з мережі двигуном головного руху під час зняття поточного шару металу

; ;,

де Х_і-1, Х_і - координати шліфувального круга на початку і наприкінці зняття поточного шару металу, мм;

Р - активна потужність двигуна головного руху, кВт;

t_ші - тривалість роботи при знятті поточного шару металу, с,

і - номер шару металу.

При завершенні зняття кожного шару металу розраховується поточне значення миттєвої оцінки періоду стійкості шліфувального круга і середнє значення активної потужності двигуна головного руху

; ,

де Н - максимально припустимий знос шліфувального круга по висоті, мм.

За результатами двох випробувальних дій (і=1, і=2) створюються дві системи рівнянь, які у матричній формі мають вид

де Т^Т = [lgT₁ lgT₂]; S^T= [lgS₁ lgS₂]; P_c^T= [lgP_c1 lgP_c2]; С_t^Т=[lgC_t lgC_t], С_рс^Т=[lgC_рс lgC_рс]; S₁, S₂ - швидкості подачі при обробці першого і другого шару металу.

При розв'язанні систем розраховуються значення коефіцієнтів і показників степеня: С_t, С_рс, у_t, y_p, що дає можливість створити математичну модель процесу обробки у вигляді залежностей миттєвої оцінки періоду стійкості і середньої потужності обробки від швидкості подачі під час зняття шару припуску:

(5)

.(6)

Наявність виразів (5), (6) дозволяє визначити показники ефективності (1)-(4), як функції швидкості подачі верстата. Показник J_e записується відносно середньої потужності, що споживається двигуном головного руху при знятті шару металу. Узагальнений критерій оптимізації процесу розраховується за формулою

,

де G - площа оброблюваної поверхні, мм².

Для пошуку екстремуму функції F(S) використовується чисельний метод. У результаті пошуку екстремуму визначається значення швидкості подачі, що відповідає цьому екстремуму, і розраховується відповідний сигнал задання швидкості електропривода подачі

Упродовж обробки за сигналами встановлених на верстаті датчиків перевіряється відповідність сформованої математичної моделі реальним умовам обробки і при розбіжностях, що перевищують встановлені межі, повторюються випробувальні дії, створюється нова модель процесу і повторюється процес пошуку екстремуму. Для реалізації запропонованого методу на верстаті має бути застосовано пристрій ЧПУ на базі комп'ютера.

Розрахунок і аналіз залежностей показників ефективності ТПМО (1)-(3) від швидкостей робочих рухів фрезерних верстатів засвідчив, що максимальних значень всі показники набувають при максимальному значенні швидкості подачі S і мінімальному значенні частоти обертання шпинделя (фрези) n. Це є справедливим і при зміні збурючих дій, основними з яких є зміна глибини і ширини обробки. Для ілюстрації цього на рис. 5 наведені залежності J_п (S, n), J_е(S, n), J_с (S, n) для процесу фрезерування пазу у стальній заготівці дисковою пазовою фрезою з швидкоріжучої сталі.

Поверхні відгуку відповідають глибинам фрезерування пазу 10мм (нижня поверхня) і 30 мм (верхня поверхня) при ширині пазу 10 мм. Аналогічні розрахунки проведені для обробки чавуну і сталі кінцевими і торцевими фрезами з швидкоріжучої сталі і з пластинами з твердого сплаву.

Для забезпечення в умовах зміни збурюючих дій найбільшого можливого значення кожного з показників ефективності обробки необхідно змінювати швидкості подачі і частоти обертання фрези таким чином, щоб у кожну мить обробки була забезпечена найбільша можлива подача з урахуванням встановлених обмежень швидкостей робочих рухів верстата. Головними з технічних обмежень є максимальна швидкість, яка може бути реалізована застосованим на верстаті електроприводом подачі, і номінальна потужність електропривода головного руху. Основними з технологічних обмежень є припустима величина подачі на зуб фрези і бажана величина періоду стійкості інструмента. Припустима величина подачі при чорновій обробці може визначатися за умовою міцності зубів фрези чи умовою неперевищення при максимальній глибині обробки припустимого за міцністю кінематичних ланцюгів привода головного руху крутильного моменту на фрезі.

Виконання ТПМО фрезеруванням з максимально можливими значеннями показників ефективності може бути забезпечено застосуванням на верстаті системи, що стабілізує потужність різання при взаємозв'язаному управлінні швидкостями подачі і частоти обертання фрези за законом

,(7)

де n_макс, n_мін, S_макс, S_мін - граничні значення частоти обертання фрези і швидкості подачі, що відповідають мінімальному і максимальному збуренню, яким є глибина обробки.

Умови визначення цих граничних значень залежать від виду обробки і номінальної потужності встановленого на верстаті двигуна головного руху. При малій і середній потужностях цього двигуна граничні значення швидкостей робочих рухів відповідають точкам перетину ліній обмеження за максимальною подачею і номінальною потужністю двигуна головного руху. При великих потужностях цим точкам відповідають тільки мінімальні швидкості n_мін, S_мін, а максимальні n_макс, S_макс - точкам перетину ліній обмеження за максимальною подачею і бажаним значенням періоду стійкості інструмента.

Проведені розрахунки для ТПМО фрезеруванням дисковими, торцевими і кінцевими фрезами свідчать, що при обробці з застосуванням системи стабілізації потужності різання з взаємозв'язаним управлінням швидкістю подачі і частотою обертання фрези забезпечується найбільш ефективний за показниками J_п, J_c, J_е режим обробки у порівнянні з застосуванням такої ж системи з управлінням тільки швидкістю подачі, і особливо - з обробкою при постійних значеннях швидкості подачі і частоти обертання фрези.

Безперервні лінії відповідають обробці при застосуванні системи стабілізації потужності різання, що дорівнює 5,5 кВт, з взаємозв'язаним управлінням швидкістю подачі і частотою обертання фрези, штрихові - обробці при застосуванні системи стабілізації потужності з управлінням тільки швидкістю подачі, штрих-пунктирні лінії відповідають процесу обробки з постійними значеннями швидкості подачі і частоти обертання фрези. При застосуванні системи з взаємозв'язаним управлінням робочими рухами у порівнянні з системою з управлінням тільки швидкістю подачі показники ефективності набувають максимальної різниці при максимальній глибині обробки, при цьому показник продуктивності зростає на 28%, показник економічної ефективності - на 44%, а показник енергетичної ефективності - на 12,8%.

Аналогічні результати отримані і для обробки заготівок з чавуну і сталі кінцевими і торцевими фрезами. ТПМО фрезеруванням на верстатах з меншою потужністю двигуна головного руху відбуваються при менших абсолютних значеннях показників ефективності, проте відносне зростання ефективності обробки при взаємозв'язаному управлінні швидкостями робочих рухів є більшим.

Для ТПМО торцевих поверхонь на токарних верстатах залежності показників ефективності від швидкості подачі і частоти обертання заготівки є аналогічними за характером до наведених на рис. 5. Для стабілізації потужності різання в умовах зміни діаметра обробки при постійній глибині різання достатньо підтримувати незмінними швидкість різання і величину подачі, застосовуючи системи взаємозв'язаного управління частотою обертання заготівки і швидкістю подачі. Проведені розрахунки показали, що застосування таких систем управління забезпечує також і стабілізацію значень показників ефективності обробки. Показано, що в умовах зміни глибини різання обробка відбувається при більших значеннях показників ефективності, якщо додатково до стабілізації швидкості різання при управлінні частотою обертання заготівки забезпечити стабілізацію потужності різання шляхом управління швидкістю подачі.

Безперервні лінії відповідають обробці при застосуванні системи стабілізації швидкості і потужності різання, що дорівнює 10 кВт, а штрихові - обробці при застосуванні системи стабілізації швидкості різання і подачі. Штрих-пунктирні лінії відповідають процесу обробки з постійними значеннями швидкості подачі і частоти обертання заготівки.

У третьому розділі ”Розробка принципів побудови систем управління робочими рухами верстатів, методів їх розрахунку і настроювання” розглянуті питання синтезу автоматизованих систем управління швидкостями робочих рухів верстатів шліфувальної, фрезерної, токарної і свердлильної груп для підвищення ефективності ТПМО.

Для реалізації запропонованого у другому розділі методу управління швидкістю подачі при силовому шліфуванні на верстатах з круглим столом і вертикальним шпинделем розроблено систему управління рухом подачі, яка реалізується на базі комп'ютерного пристрою ЧПУ. Розроблено відповідний алгоритм управління. Згідно з цим алгоритмом процес управління поділяється між програмами: програмою-диспетчером циклу обробки, яка виконується в фоновому режимі, і програмами основної задачі, які виконуються в режимі переривання. Одна з цих програм забезпечує оптимізацію режиму обробки. Вона визначає швидкість подачі, що відповідає максимуму обраного показника ефективності, і формує відповідний сигнал задання швидкості електропривода подачі. Ця програма відпрацьовує сигнали переривання, що формуються датчиком контролю контакту шліфувального круга з пристроєм правки. Друга програма забезпечує управління пересуванням пристрою правки, вона відпрацьовує сигнали переривання, які формуються таймером. Ця програма має більш високий пріоритет у порівнянні з програмою оптимізації режиму обробки і надає для останньої інформацію про тривалість роботи на кожному кроці пересування пристрою правки.

Для реалізації розробленого в другому розділі методу управління ТПМО на фрезерних верстатах розроблені системи стабілізації потужності обробки з взаємозв'язаним управлінням приводами подачі і головного руху верстата. Для цих систем характерна робота під впливом параметричних збурень, основними з яких є зміна під час обробки глибини і ширини припуску, що знімається. Дія збурень обумовлює зміну коефіцієнта передачі об'єкта управління в широких межах. Системи з регулюванням за відхиленням вихідної координати від заданого значення зі стабілізацією коефіцієнта передачі розімкнутої системи не забезпечують потрібних статичних і динамічних показників, оскільки при малих значеннях коефіцієнта система має велику статичну похибку, а при його великих значеннях стає нестійкою.

Для вирішення цієї проблеми запропоновано використання адаптивної системи стабілізації потужності обробки з параметричним зворотним зв'язком. До складу системи входять такі елементи: виконавчий пристрій ВП, яким у металообробному верстаті є електроприводи подачі ЕПП і головного руху ЕПГ, регулятор Р, який містить блок ділення і функціональний перетворювач ФП, що забезпечує узгодження швидкостей ЕПП і ЕПГ відповідно до виразу (7), об'єкт управління ОУ і спостережний пристрій СП.

До складу ОУ входять механічні передачі з коефіцієнтами К_пм, К_пмг, процес обробки, який є нелінійною інерційною ланкою зі сталою часу Т_п, і датчик вихідної координати зі сталою часу Т_дп. Коефіцієнт передачі ОУ змінюється під впливом як керуючих дій, якими є кутові швидкості щ ЕПП і щ_г ЕПГ, так і збурень, основним з яких є зміна глибини обробки t_p. СП обчислює в процесі обробки поточне значення коефіцієнта передачі ланки, що містить ЕПП і ОУ.

Розроблені три типи спостережних пристроїв. СП першого типу (рис. 8) містить датчик кутової швидкості щ і блок ділення. Він формує сигнал параметричного зворотного зв'язку відповідно до виразу в операторній формі

,

де К_пм, К_по, К_дп, К_ш - коефіцієнти передачі відповідно механічної передачі, процесу обробки, датчика потужності обробки, датчика швидкості електропривода подачі;

Т_п, Т_дп, Т_к сталі часу відповідно процесу обробки, датчика потужності обробки і фільтру.

В усталеному режимі вихідний сигнал СП чисельно дорівнює коефіцієнту К передачі ЕПП і ОУ

,(8)

де К_еп =1/К_ш - коефіцієнт передачі замкненого кола регулювання швидкості електропривода подачі.

Сигнали на виході регулятора і датчика потужності: u_кп = u_зп /u_пз; u_дп =u_кпК. З урахуванням виразу (8) в усталеному режимі значення сигналу датчика потужності u_дп завжди дорівнює сигналу задання u_зп потужності обробки, а сама потужність P_z - її заданому значенню P_zз.