Дослідження на моделі електромеханічних систем автоматизації металообробних верстатів

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (39). Частина 1.

28

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження на моделі електромеханічних систем автоматизації металообробних верстатів

Водічев В.А., Мухаммед М.А.

Одеський національний політехнічний університет

Вступ

В сучасних умовах практично для всіх галузей промисловості актуальним є збільшення продуктивності при зменшенні витрат енергії на виробництво продукції. Одним з можливих шляхів розв'язання цієї проблеми може бути застосування електромеханічних систем автоматизації (ЕМСА) технологічних процесів. При цьому керування процесом за умовою зменшення витрат енергії має бути узгоджене з вирішенням основної технологічної задачі і не суперечити вимогам забезпечення високої продуктивності технологічного обладнання. У металообробних верстатах для підвищення продуктивності і якості обробки застосовуються ЕМСА, які стабілізують потужність різання [1]. В таких системах зміна керуючих і збурюючих дій обумовлює зміну у процесі роботи коефіцієнта передачі об'єкта керування, що призводить до погіршення якості перехідних процесів у системі і к втраті останньою стійкості. Системи стабілізації потужності обробки з добрими статичними і динамічними характеристиками, які забезпечують підтримку вихідної координати на заданому рівні шляхом керування швидкістю одного робочого руху подачі, можуть бути реалізовані на основі фази-регуляторів [2]. Проте, у літературі відсутні відомості про налаштовування фази-регуляторів для систем з взаємозв'язаним керуванням швидкостями головного руху і руху подачі, які можуть забезпечити обробку при ліпших значеннях показників продуктивності і енергетичної ефективності [3]. Відсутні також дослідження з порівняння тривалості обробки заготівок і витрат енергії при застосуванні систем з керуванням одним і двома робочими рухами верстата.

Мета роботи. Метою роботи є розробка фази-регулятора для електромеханічних систем автоматизації металообробних верстатів фрезерної групи, що стабілізують потужність обробки при взаємозв'язаному керуванні швидкостями електроприводів головного руху і подачі, дослідження на моделі динамічних характеристик систем з фази-регулятором і без нього і порівняльна оцінка впливу застосування систем на тривалість обробки і енергетичні витрати на неї.

електромеханічний автоматизація металообробний фрезерний

Матеріал і результати дослідження

Модель для дослідження ЕМСА фрезерного верстата у середовищі Matlab-Simulink (рис. 1) містить блоки моделей процесу обробки з датчиком потужності різання, електропривода подачі верстата, електропривода головного руху і фази-контролера. Математична модель процесу обробки побудована на основі емпіричних залежностей, що пов'язують потужність обробки з керуючими діями, якими є швидкості електроприводів головного руху і подачі, і збурюючими діями, якими є зміни глибини і ширини обробки [1].

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (39). Частина 1.

28

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для врахування динамічних властивостей процесу обробки у складі моделі використано аперіодичну ланку першого порядку зі сталою часу, що є зворотно пропорційною частоті обертання фрези [1]. Модель електропривода подачі стола верстата відповідає імпульсному електроприводу постійного струму, система керування якого містить пропорційно-інтегральний регулятор швидкості і релейний регулятор струму двигуна. Механічну частину електропривода подачі представлено у моделі двомасовою розрахунковою схемою. Модель електропривода головного руху складена для системи ”перетворювач частоти-асинхронний двигун”. У моделі передбачена можливість дослідження декількох варіантів електромеханічних систем фрезерного верстата.

Вибір варіанта здійснюється за допомогою перемикачів. Перемикач Ф-Т забезпечує моделювання системи з фази-регулятором чи традиційним регулятором. Перемикач З-Р дає можливість дослідити замкнуту чи розімкнуту системи. Перемикач S-n-S забезпечує реалізацію варіантів систем з взаємозв'язаним керуванням швидкостями електроприводів головного руху і подачі чи з керуванням тільки швидкістю електропривода подачі. У моделі також застосовано лічильник енергії, яку витрачено на здійснення процесу обробки заготівки.

При дослідженні системи з фази-регулятором на входи електроприводів надходить сигнал задання максимальної швидкості разом з вихідним сигналом інтегратора, на вхід якого надходить сигнал, сформований фази-регулятором. Регулятор аналізує стан двох вхідних сигналів, що пропорційні потужності обробки і похідній цієї потужності. Для вхідної лінгвістичної змінної „потужність” задано три лінгвістичні терми: дорівнює заданому значенню, менша за задану, більша за задану. Їм відповідають функції приналежності з іменами PZ, PNB, PPB (рис. 2).

Вхідній змінній „похідна потужності” відповідає п'ять лінгвістичних термів: негативна велика NB, негативна мала NS, нуль Z, позитивна мала PS, позитивна велика PB. Вихідний сигнал фази-регулятора задає напрям корекції поточного значення швидкості подачі. Вихідній змінній „корекція” відповідає сім лінгвістичних термів: негативна велика NB, негативна середня NM, негативна мала NS, нуль Z, позитивна мала PS, позитивна середня PM, позитивна велика PB. Експертні лінгвістичні вислови, що відображають зв'язок між змінними „потужність”, „похідна потужності”, „корекція”, подані у табл. 1.

У всіх випадках обробки її тривалість буде мінімально можливою при максимально можливій швидкості подачі з урахуванням наявних технічних і технологічних обмежень. При обробці на верстатах з невеликою потужністю двигуна головного руху основним технічним обмеженням є номінальна потужність цього двигуна. Основним з технологічних обмежень є припустиме значення подачі на зуб фрези, яке визначається за умовами міцності кінематичних ланцюгів привода головного руху, міцності інструмента при передбачуваних значеннях глибини і ширини обробки, забезпечення необхідної точності обробки на верстаті з відомою жорсткістю технологічної системи. Тому узгодження швидкостей електроприводів головного руху і подачі верстата у системі з взаємозв'язаним керуванням забезпечується з умови підтримки найбільшого припустимого значення подачі.

Таблиця 1

Блок правил фазі-регулятора

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (39). Частина 1.

28

Размещено на http://www.allbest.ru/

Значення частоти обертання шпинделя і швидкості подачі в сталому режимі як при обробці з постійними швидкостями робочих рухів, так і при застосуванні систем стабілізації потужності з керуванням одним чи двома робочими рухами, можуть бути визначені за формулами

; (1)

, (2)

де S - швидкість подачі, мм/хв; S_z - подача на зуб фрези, мм/зуб; t_р, В - глибина і ширина обробки, мм; D - діаметр фрези, мм; n - частота обертання фрези, об/хв; z - кількість зубів фрези; C_p, q, x, y, u, w - коефіцієнти і показники ступеню, які залежать від оброблюваного матеріалу і інструмента; K_p -коефіцієнт, що враховує умови обробки; P_з- потужність обробки при номінальній потужності на валі двигуна головного руху, кВт.

При дослідженні на моделі розглянуто випадок зняття кінцевою фрезою з поверхні заготівки припуску, що змінюється щаблями глибиною 1,5; 2,0; 2,5 мм і довжиною 10 мм кожен. Результати моделювання подані у вигляді графіків залежностей потужності обробки Р, швидкості подачі S, частоти обертання шпинделя n, подачі S_z і глибини обробки t_p від часу t. Для електромеханічної системи верстата, яка працює з постійними швидкостями робочих рухів, для забезпечення найменшої можливої тривалості обробки обрано найбільше припустиме значення подачі, а частота обертання шпинделя розрахована за формулою (1) для найбільшого у процесі обробки значення глибини фрезерування. При цьому потужність обробки досягає заданого значення при максимальній глибині фрезерування (рис. 3, а). При обробці цієї ж заготівки з застосуванням системи стабілізації потужності з фази-регулятором і керуванням швидкістю електропривода подачі частота обертання шпинделя розраховується за формулою (1) для найменшого в процесі обробки значення глибини фрезерування. При зміні глибини обробки змінюється швидкість подачі і значення подачі (рис. 3, б). При взаємозв'язаному керуванні швидкостями електроприводів шпинделя і подачі система з традиційним регулятором не забезпечує задовільних динамічних характеристик. У системі з фази-регулятором при зміні глибини обробки частота обертання шпинделя змінюється відповідно до формули (1), а швидкість подачі - до формули (2), і підтримується незмінним задане значення подачі (рис. 3, в).

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (39). Частина 1.

28

Размещено на http://www.allbest.ru/

За результатами моделювання виконана порівняльна оцінка тривалості обробки і витрат енергії при застосуванні розглянутих варіантів систем. З осцилограм (рис. 3) видно, що при стабілізації потужності фрезерування з керуванням тільки електроприводом подачі відносне скорочення тривалості обробки у порівнянні з обробкою при постійних швидкостях робочих рухів становить 11,3%. Проте, за результатами розрахунку встановлено, що відносне збільшення споживаної енергії становить 8,9%. Застосування системи стабілізації потужності фрезерування з керуванням швидкістю електроприводів подачі і головного руху з підтримкою заданого значення подачі при таких самих витратах енергії, як і при обробці з постійними швидкостями робочих рухів, забезпечує відносне скорочення тривалості обробки у 19%. Схожі результати отримані і при аналогічних розрахунках для випадків обробки заготівок з різних матеріалів іншими типами фрез.

Висновки

Отже, проведені на моделі дослідження свідчать, що застосування систем стабілізації потужності обробки з керуванням швидкістю електропривода подачі верстата при постійному значенні швидкості електропривода шпинделя поряд з позитивним ефектом скорочення тривалості обробки заготівки призводить до збільшення витрат енергії на цю обробку. Більш ефективним з точки зору підвищення продуктивності верстатів і скорочення витрат енергії є застосування систем стабілізації потужності обробки з взаємозв'язаним керуванням електроприводами обертання шпинделя і подачі, за якого одночасно забезпечується стабілізація подачі.

Література

1. Шапарев Н.К. Расчет автоматизированных электроприводов систем управления металлообработкой. - К.: Лыбидь, 1992. - 272 с.

2. Водичев В.А., Гулый М.В., Мухаммед М.А. Применение фаззи-регулятора в электромеханической системе автоматизации металлообработки // Вісник Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ „ХПІ”, 2005. - № 45. - С. 504-505.

3. Водічев В.А. Оцінка ефективності застосування електромеханічних систем автоматичного керування процесом металообробки // Електромашинобудування та електрообладнання: Міжвід. наук.-техн. збірник. - К.: Техніка. - 2004. - Вип. 62. - С. 44 - 48.

Размещено на Allbest.ru