Водічев Володимир Анатолійович. Автоматизовані системи управління робочими рухами верстатів для підвищення ефективності технологічних процесів металообробки

Короткий опис

Водічев Володимир Анатолійович. Автоматизовані системи управління робочими рухами верстатів для підвищення ефективності технологічних процесів металообробки: дис... д-ра техн. наук: 05.13.07 / Одеський національний політехнічний ун-т. - О., 2005.

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. Дослідження розроблених систем виконано на математичних моделях і свердлильно-фрезерному верстаті.

В результаті виконання дисертаційної роботи вирішена науково-прикладна проблема обґрунтування методів управління та розробки принципів побудови і методів розрахунків автоматизованих систем управління робочими рухами верстатів, які забезпечують підвищення продуктивності, економічної і енергетичної ефективності технологічних процесів металообробки.
Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволили отримати наступні результати.
1. Проведений розрахунок і аналіз залежностей показників, які характеризують продуктивність, собівартість і питоме енергоспоживання технологічних процесів металообробки, від швидкостей робочих рухів верстатів шліфувальної, фрезерної і токарної груп, дозволив сформулювати принципи управління процесами обробки на цих верстатах з метою підвищення їх ефективності.
2. Для вирішення задачі багатокритеріальної оптимізації технологічних процесів металообробки запропоновано узагальнений критерій, який, крім продуктивності і собівартості, враховує також і питоме енергоспоживання верстата, і доведено, що залежність цього критерію від швидкості подачі при силовому шліфуванні має екстремальний характер, а розташування екстремуму цієї залежності змінюється під впливом збурень.
3. Для оптимізації технологічного процесу силового шліфування за узагальненим критерієм в умовах невизначеності розташування його екстремуму відносно швидкості подачі до початку процесу обробки розроблено метод управління робочим рухом верстата. Він передбачає визначення складових аналітичних залежностей періоду стійкості інструмента і потужності різання від швидкості подачі на основі випробувальних дій на процес обробки шляхом зміни цієї швидкості і визначення з використанням математичної моделі значення швидкості, що відповідає екстремуму критерію оптимізації процесу обробки. Застосування цього методу дозволяє в півтора рази скоротити тривалість пошуку екстремуму показника ефективності і підвищити точність його підтримки у порівнянні з методами крокового пошуку. Для реалізації розробленого методу оптимального управління під час обробки на верстатах з круглим столом і вертикальним шпинделем запропоновано алгоритм управління рухом подачі, який реалізується пристроєм ЧПУ на базі комп’ютера.
4. Показано, що системою стабілізації потужності обробки при взаємозв’язаному управлінні частотою обертання фрези і швидкістю подачі може бути забезпечено виконання технологічного процесу обробки фрезеруванням у режимі, який відповідає максимально можливим значенням показників продуктивності, економічної і енергетичної ефективності в області обмежень за максимально припустимими значеннями подачі, номінальною потужністю двигуна головного руху і бажаною величиною періоду стійкості інструмента. Виконано структурний синтез адаптивних систем з параметричним зворотним зв’язком і взаємозв’язаним управлінням швидкістю подачі і частотою обертання фрези для стабілізації потужності фрезерування. Для цих систем запропоновані методи обчислення коефіцієнта передачі процесу обробки для організації параметричного зворотного зв’язку і узгодження швидкості подачі і частоти обертання фрези. Кількісні показники зростання ефективності процесу фрезерування у порівнянні з застосуванням систем з управлінням тільки швидкістю подачі є різними і залежать від оброблюваного матеріалу, інструмента і потужності електропривода головного руху верстата.
5. Розроблено принцип побудови системи управління швидкістю подачі верстатів з ЧПУ для підтримки потужності технологічного процесу фрезерування у заданих межах і сформульовані умови стійкості такої системи. Розроблено аналого-цифровий регулятор для верстата з ЧПУ, який дозволяє підтримувати потужність обробки у заданих межах в умовах наявності періодичної складової потужності, що обумовлена биттям фрези. За результатами експериментів на верстаті моделі 2550 ОС1000МФ4 встановлено, що скорочення часу обробки фрезеруванням з використанням розробленого аналого-цифрового регулятора у порівнянні з обробкою з постійною швидкістю подачі складає 28 %.
6. Для статичних систем стабілізації потужності обробки з управлінням швидкістю подачі удосконалено метод синтезу параметрів регуляторів і розрахунку статичних характеристик цих систем з урахуванням нелінійності об’єкта управління. Це дозволяє більш точно спрогнозувати статичну похибку системи в передбачуваних умовах обробки у порівнянні з відомим методом розрахунку, при застосуванні якого фактична статична похибка на 30% перевищує очікувану. Запропоновані прості пристрої корекції забезпечують отримання задовільних динамічних характеристик систем при фрезеруванні і свердлінні на легких верстатах з нешироким діапазоном зміни збурень.
7. Запропоновано метод управління і розроблено систему взаємозв’язаного управління швидкостями робочих рухів, у якій стабілізація швидкості різання забезпечується за рахунок управління частотою обертання заготівки, а потужності різання шляхом управління швидкістю подачі. Вони забезпечують виконання технологічного процесу обробки поверхонь точінням в умовах зміни діаметра і глибини різання при більших значеннях показника продуктивності, а на окремих ділянках заготівки - і показника енергетичної ефективності у порівнянні з системою стабілізації швидкості різання і подачі. Сформульовано умови стійкості кола регулювання потужності різання системи.
8. Показано, що технологічні процеси обробки торцевих поверхонь точінням і шліфуванням з постійною глибиною різання при стабілізації швидкості різання і подачі відбуваються при постійних значеннях показників ефективності, у той час як при обробці з постійними швидкостями робочих рухів показники ефективності погіршуються при зменшенні діаметра обробки. Запропонована система з параметричним зворотним зв’язком забезпечує підтримку швидкості різання без похибки. Для систем стабілізації швидкості різання з регулюванням за відхиленням вихідної координати і за збуренням розроблені методи синтезу параметрів регуляторів і розрахунку статичних характеристик, які дають можливість настроювати систему для забезпечення заданої точності підтримки швидкості різання і прогнозувати статичну похибку системи в передбачуваних умовах обробки.
9. Розроблені швидкодіючі датчики для контролю поточного навантаження двигунів головного руху верстатів необхідні для забезпечення високої якості перехідних процесів, що виникають під дією збурень у автоматизованих системах стабілізації потужності різання.
10. Розроблені комп’ютерні програми і моделі дають можливість оперативно виконувати оцінку підвищення ефективності обробки і якості регулювання перед застосуванням систем управління на верстатах різних груп і типів.
11. Результати дисертаційної роботи впроваджені у проектних організаціях верстатобудівного профілю і у навчальному процесі.