Главная Контакты Добавить в избранное Авторы Вопросы и ответы
,

УДК 62-52:621.9.06

СИСТЕМА СТАБІЛІЗАЦІЇ ПОТУЖНОСТІ РІЗАННЯ

ФРЕЗЕРНОГО ВЕРСТАТА З ВЗАЄМОЗВ’ЯЗАНИМ КЕРУВАННЯМ ШВИДКОСТЯМИ РОБОЧИХ РУХІВ

Водічев В.А.

Системи стабілізації потужності різання є ефективним засобом підвищення продуктивності металообробних верстатів [1, 2, 3]. У таких системах, що застосовуються на фрезерних верстатах, стабілізація потужності в умовах зміни припуску забезпечується,  як правило, за рахунок відповідної зміни швидкості електропривода подачі  при постійній кутовій швидкості електропривода обертання шпинделя [1, 3]. При цьому скорочується тривалість обробки у порівнянні з обробкою з постійними швидкостями робочих рухів верстата, але не забезпечується оптимальний за критерієм продуктивності режим обробки. У роботі [2] для оптимізації процесу обробки на фрезерних верстатах запропоноване застосування багатоструктурних систем з самонастроюванням,  у яких при зміні величини припуску, що знімається, автоматично змінюється структура системи і  здійснюється керування швидкостями електроприводів подачі і головного руху. Такий підхід до керування режимом обробки має  недоліки. По-перше, технічна реалізація систем потребує великих обсягів розрахунків, які мають виконуватись під час обробки. Тому запропоновані системи можуть бути реалізовані тільки на верстатах з пристроями числового програмного керування (ПЧПК) класів CNC чи PCNC, що побудовані на базі комп’ютера, в той час, як у сучасних умовах верстатобудівельною промисловістю виробляється і у машинобудівельній промисловості застосовується велика кількість верстатів без ПЧПК. По-друге, похибка визначення поточного значення припуску, що знімається, складає ± 15%, тобто  система з структурною самонастройкою визначає умови переключення структурних станів лише приблизно, що віддаляє обраний режим обробки від оптимального. По-третє, в умовах чорнової обробки, коли величина припуску постійно змінюється, багатоструктурна система має працювати  у режимі безперервної зміни своїх структурних станів, але моделювання  такого режиму роботи у [2]  не проведено, тому   важко оцінити  стійкість,  динамічні характеристики і ефективність роботи системи в цих умовах. 

Метою даної статті є розробка системи керування електроприводами головного руху і подачі фрезерного верстата, яка є значно простішою за технічною реалізацією, ніж багатоструктурна система, і  забезпечує можливість ведення обробки у режимі, що є близьким до оптимального за критеріями максимальної продуктивності, мінімальних собівартості обробки і питомого енергоспоживання верстата, дослідження динамічних характеристик системи і оцінка ефективності її застосування у порівнянні з обробкою на верстаті без системи стабілізації потужності різання і з такою системою але при керуванні тільки швидкістю подачі.

Для оцінки ефективності металообробки використовуються показники продуктивності і собівартості обробки і питомого енергоспоживання верстата [2, 3, 4]

 

                                           ,,,                                      (1)

 

де Q  – швидкість знімання металу, мм3/хв. Т – миттєва оцінка періоду стійкості інструменту, хв; tзм – тривалість зміни інструменту, хв; Сс – собівартість хвилини роботи верстата, коп; Сі –  вартість інструменту, що витрачено  за період стійкості, коп.; Р – потужність обробки, кВт.

Величини Q, Т і Р залежать від частоти обертання фрези і швидкості подачі, тому і показники (1) є функціями швидкостей електроприводів робочих рухів. Умовний глобальний максимум показників Jп, Jс може знаходитись тільки на одній з ліній, що обмежують знизу область припустимих значень швидкостей робочих рухів верстата, і відповідають максимально припустимому моменту на інструменті, максимально припустимій величині подачі чи мінімальній частоті обертання шпинделя [2]. Як показали розрахунки залежностей значень показника Jп від швидкостей робочих рухів верстата при фрезеруванні різних матеріалів кінцевими, торцевими і дисковими фрезами практично не виникають умови обробки, що відповідають  лінії обмеження за мінімальною частотою обертання шпинделя, а  процес обробки при цьому відбувається при дуже низьких значеннях Jп.  Обмеження області припустимих режимів обробки за максимальним моментом на інструменті для більшості видів фрезерування може бути зведено до обмеження за величиною подачі на зуб фрези. Це можна пояснити таким чином.

Величина моменту на інструменті визначається формулою [5]

 

                                                           ,                                                      (2)

 

де Sz – подача на зуб фрези, мм/зуб; n – частота обертання фрези, об/хв; z – кількість зубів фрези; tp, B – глибина і ширина фрезерування, мм; Ср, x, y, u, q, w – коефіцієнт і показники степеня, що залежать від оброблюваного матеріалу і інструменту.

При обробці заготівок з сталей, чавунів і мідних сплавів фрезами різних типів  з швидкоріжучої сталі показник степеня w дорівнює нулю [5], тому момент М  залежить тільки від керуючої дії, якою є подача Sz, і від збурюючих дій: tp і B. Максимально припустиме значення Sz, що відповідає максимально  припустимому моменту на інструменті,  можна розрахувати із (2), при значенні М, що обране  за умовою міцності елементів кінематичного ланцюга головного руху верстата, і при максимальних передбачуваних значеннях  tp і B, що матимуть місце при обробці конкретної заготівки. Отримане значення Sz потрібно порівняти з максимально припустимим значенням подачі, що наводиться у [5] і може відповідати таким  умовам:  міцності інструменту при максимальних передбачуваних значеннях  tp і B, забезпечення необхідної точності обробки на верстаті з відомою жорсткістю системи „заготівка-прилад”, отримання необхідної якості поверхні, що оброблена. Причому, меншим значенням глибини обробки відповідають більші припустимі значення подач [5]. Таким чином, граничному  максимуму залежності показників ефективності від швидкості подачі і частоти обертання фрези відповідають лінії обмеження за максимально припустимим значенням подачі Sz, яке обирається за однією з вказаних вище умов і змінюється  в процесі обробки при зміні величини припуску в межах від максимального Szmax до мінімального Szmin значень. 

Для забезпечення в умовах зміни збурюючих дій найбільшого можливого значення показників ефективності обробки необхідно змінювати швидкість подачі і частоту обертання фрези таким чином, щоб у кожну мить обробки була забезпечена найбільша можлива величина подачі з урахуванням вказаних вище обмежень і максимально можливих швидкостей робочих рухів, що можуть бути реалізовані електроприводами верстата. Це, у свою чергу, може бути забезпечено застосуванням на верстаті системи, що стабілізує потужність різання при взаємозв’язаному керуванні швидкостями електроприводів подачі головного руху. Для формування закону взаємозв’язаного керування мають бути визначені межі можливої зміни глибини і ширини обробки і встановлені відповідні граничні значення частоти обертання фрези і швидкості подачі. Ці граничні значення відповідають точкам перетину ліній обмеження за максимальною подачею і номінальною потужністю двигуна головного руху при максимальному і мінімальному передбачуваному сполученнях величин tp і B. Тобто для передбачуваних умов обробки мають бути розв’язані дві системи рівнянь однакового виду

 

                                                          ,                                                     (3)

 

де S – швидкість подачі, мм/хв.; Pн/η – задане значення потужності обробки,кВт; Рн –номінальна потужність двигуна головного руху верстата, кВт; η – ККД коробки швидкостей привода головного руху.

Перша система рівнянь виду (3) записується для сполучення передбачуваних мінімальних  значень tp і B в процесі обробки даної заготівки і відповідного ним максимально припустимого значення подачі Sz=Szmax. У другій аналогічній системі рівнянь враховуються максимальні значення tp і B і відповідне мінімальне значення припустимої подачі Sz=Szmin. Результатом розв’язання систем рівнянь будуть координати граничних точок Smax, nmax і Smin, nmin, які визначатимуть межі зміни швидкостей електроприводів робочих рухів верстата під час обробки конкретної заготівки.

Узгодження величин швидкостей робочих рухів може відбуватися відповідно до залежності

 

                                                    .                                                (4)

 

 При зміні припуску впродовж обробки заготівки відповідна зміна швидкостей робочих рухів верстата може здійснюватися  адаптивною системою стабілізації потужності обробки з параметричним зворотним зв’язком.  До складу системи (рис. 1) входять такі елементи: виконавчий пристрій ВП, що складається з електроприводів подачі ЕПП і головного руху ЕПГ, регулятор Р, який містить блок ділення з обмежувачем вихідного сигналу і функціональний перетворювач ФП, що забезпечує узгодження швидкостей ЕПП і ЕПГ відповідно рівнянню (4),  спостерігаючий пристрій СП, який визначає величину коефіцієнта передачі ланки, що містить ЕПП і об’єкт керування ОК.

До складу об’єкту керування ОК входять механічна передача з коефіцієнтом передачі Кпм, процес обробки, який є нелінійною  інерційною ланкою зі сталою часу Тп, і датчик потужності обробки зі сталою часу Тдп. Коефіцієнт передачі ОК змінюється під впливом  керуючих дій, якими є кутова швидкість ω ЕПП і частота обертання n ЕПГ, і збурень, основним з яких є зміна глибини обробки tp

 

СП містить датчик кутової швидкості ω і блок ділення. Він формує напругу параметричного зворотного зв’язку відповідно до рівняння в операторній формі

 

,

 

де  Кпм , Кп , Кдп , Кш – коефіцієнти передачі відповідно механічної передачі, процесу обробки, датчика потужності обробки, датчика швидкості електропривода подачі;  Тп ,  Тдп, Тк  - сталі часу відповідно процесу обробки, датчика потужності обробки і фільтру, який входить до складу СП, с.

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

 

                                                          ,                                                     (5)

 

де Кеп – коефіцієнти передачі електропривода подачі.

Сигнали на виході регулятора і датчика потужності: uу1 = uз /uпз; uп =uу1К. З урахуванням  (5) в усталеному режимі напруга датчика потужності uп завжди дорівнює   напрузі задання uз потужності обробки, а сама потужність Pz – її заданому значенню P.

 Така система керування може бути реалізована на верстаті тільки за наявності регульованого електропривода головного руху. Якщо у приводі головного руху застосовано нерегульований асинхронний двигун з короткозамкнутим ротором і  коробку швидкостей, під час обробки заготівки  зміна  частоти обертання шпинделя неможлива. В цьому випадку  стабілізація потужності обробки відбувається тільки за рахунок зміни швидкості подачі. Така система має структуру, аналогічну наведеній на рис.1, але не містить ФП. Ця система при зміні збурюючої дії не забезпечує режим обробки, що відповідає вказаним вище лініям обмеження.

Дослідження роботи систем стабілізації потужності обробки при взаємозв’язаному керуванні електроприводами подачі і головного руху і при керуванні тільки електроприводом подачі виконано на математичній моделі за допомогою пакету програм Matlab-Simulink для випадку фрезерування дисковою пазовою фрезою з швидкоріжучої сталі Р6М5 пазу у заготівці з сталі, що на довжині 100 мм  має змінний профіль, на якому  глибина обробки змінюється від 10 до 30 мм. Графіки процесів у системі наведені у вигляді залежностей швидкості подачі S, частоти обертання фрези n, потужності різання Рz, глибини різання tр від часу t (рис.2).

Як  видно з графіків, обидві системи мають добрі динамічні показники, а  потужність обробки при зміні глибини  tp підтримується  на заданому рівні P без похибки. У розробленій системі при взаємозв’язаному керуванні швидкостями двох робочих рухів тривалість обробки ланки заготівки із змінним профілем складає 26,5 с (рис.2, а) , а при керуванні тільки швидкістю подачі – 31,5 с (рис. 2, б). Тобто взаємозв’язане керування швидкостями робочих рухів дозволяє скоротити тривалість обробки на  18,8 %.

Для оцінки ефективності застосування запропонованої системи проведено розрахунок зміни показників (1) під час обробки. Порівняння графіків, що наведені на рис.3, свідчить, що при взаємозв’язаному керуванні робочими рухами верстата обробка відбувається при значенях  показника продуктивності до 26 % більших, ніж під час обробки з керуванням тільки швидкістю подачі. Значення показника Jc збільшуються відповідно до 28 %, а показника  Je – до 26  %.  

 

 

 

 


Таким чином, проведене дослідження розробленої системи стабілізації потужності обробки з взаємозв’язаним керуванням швидкостями електроприводів робочих рухів свідчить про її працездатність  і ефективність її застосування на фрезерних верстатах під час обробки заготівок із змінною величиною припуску. На відміну  від багатосткруктурної системи  технічна реалізація регулятора   у запропонованій системі є простою. У порівнянні з системою з керуванням однією швидкістю робочого руху система взаємозв’язаного керування забезпечує більш високу продуктивність обробки  і зменшення питомого енергоспоживання верстата.        

 

The system of feed and main motion electric drives of milling machine control for optimization of machining process is considered. The results of mathematical modelling of the system are presented. The efficiency of system application is estimated.

 

1.                  Водічев В.А. Адаптивна система управління процесом металообробки з параметричним зворотним зв’язком // Труды Одесского политехнического университета: Научный и производственно-практический сборник по техническим и естественным наукам. – Одесса, 2001. – Вып. 4 (16). – С.150 – 153.

2.                  Рубашкин И.Б., Алешин А.А. Микропроцессорное управление режимом металлообработки. – Л.: Машиностроение, 1989. – 160 с.

3.                  Шапарев Н.К. Расчет автоматизированных электроприводов систем управления металлообработкой. –  К.: Лыбидь,1992. – 172 с.

4.                  Водічев В.А. Аналіз критеріїв оптимізації технологічного процессу металообробки// Труды Одесского политехнического университета: Научный и производственно-практический сборник по техническим и естественным наукам. Одесса, 2003. Вып. 1 (19). С. 153 156.

5.                  Справочник технолога-машиностроителя, В 2-х т.Т.2/ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. –  М.: Машиностроение, 1986. –  496 с.

 





Ответы на вопросы [_Задать вопроос_]

Современные технические средства, комплексы и системы

Краснов В.А., Прохорович А.В., Шутов С.В., Деменский А.Н. Анализ флуктуаций размера растущего кристалла (на примере легированных монокристаллов кремния, вытягиваемых из расплава по методу Чохральского)

Завальнюк И.П. Управление высокопроизводительной экструзией неоднородных материалов

Долина В.Г., Писаренко А.В. Синтез складної багатовимірної системи управління випарною станцією на основі рефрактометричних вимірювань

Стопакевич А.А., Тодорцев Ю.К. Анализ современного состояния систем управления брагоректификационными установками спиртового производства

Поливода В.В. Современные компьютерные технологии в АСУ на хлебоприёмном предприятии

Ладанюк А.П., Українець А.І., Кишенько В.Д. Управління автоматизованими технологічними комплексами харчових виробництв на основі сценарного підходу

Ковриго Ю.М., Фоменко Б.В. Врахування обмежень для підвищення якості функціонування систем регулювання енергоблоків ТЕС і АЕС

Евдокимов А.В., Китаев А.В., Агбомассу В.Л. Исследование причин, определяющих вращение рамки с током в магнитном поле после воздействия на нее внешнего импульса

Аппазов Э.С. Применение твердых растворов InGaN в фотовольтаике

Кузнєцов Ю.М., Дмитрієв Д.О. Програмно математичний апарат керування виконавчим органом багатокоординатних верстатів нових компоновок

Черевко О.И., Ефремов Ю.И., Одарченко А.М., Одарченко Д.М, Агафонова Ю.Ю. Теоретическое обоснование перспективного биконического резонатора для СВЧ-устройств при переработке растительного сырья

Хобин В.А. Бабиков А.Ю. Системы экстремального управления молотковыми дробилками с функцией гарантированного соблюдения тепловых режимов их электродвигателей.

Стадниченко В.Н. Исследование влияния изменения эксплуатационных нагрузок на свойства металлокерамических слоёв полученных с использованием трибовосстанавливающих составов

Ісаєв Е.А., Наговський Д.А., Чернецька І.Е. До вибору факторів, що характеризують окомкування тонкоподрібнених залізорудних матеріалів

Федоровский К.Ю., Лунев А.А. Теплоотдача погружного пластинчатого теплообменника системы охлаждения энергоустановок морских технических средств

Федоровский К.Ю., Владецкий Д.О. Интенсификация теплоотвода замкнутых систем охлаждения энергоустановок морских технических средств.

Пономарьов Я.Ю., Ладанюк А.П., Іващук В.В. Досвід використання нечітких регуляторів в системі атоматизації випарної установки.

Левченко А.А., Кравчук О.И. Эквивалентный макромодуль процесса технического обслуживания радиотехнических средств.

Іволгіна Т.О. Енергетичний підхід до аналізу стійкості руху вимірювальної головки координатно-вимірювальної машини

Ладанюк А.П., Кишенько В.Д., Ладанюк О.А. Системна задача управління біотехнологічними процесами.

Тернова Т.І. Алгоритм оцінювання деформацій рапорту періодичних об'єктів

Рожков С.А., Федотова О.Н. Алгоритм обучения системы распознавания автоматической системы разбраковки тканей

Пупена О.М, Ельперін І.В, Ладанюк А.П. Особливості проектування комп’ютерно-інтегрованих систем управління

Квасніков В.П., Кочеткова О.В. Проектування координатно–вимірювальної машини на нейронних мережах

Водічев В.А., Мухаммед М.А. Дослідження системи стабілізації потужності різання металообробного верстата з фази-регулятором

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И., Самойлов Н.А. Методика испытания термофотовольтаических преобразователей

Хобин В.А. Повышение качества формирования смесей средствами интеллектуализации алгоритмов управления порционным дозированием

Терновая Т.И. Автоматическая система разбраковки тканей с печатным рисунком методом компенсации информационных потоков

Рожков С.А., Бражник Д.А. Использование нейросетевых структур для построения систем распознавания образов

Місюра М.Д., Кишенько В.Д. Математичні моделі технологічних процесів пивоварного виробництва як об’єктів автоматизації

Ладанюк А.П., Власенко Л.О. Автоматизоване управління бізнес-процесами в комп’ютерно-інтегрованих структурах підприємства

Жукова Н.В., Литвинов В.І. Вирішення проблеми погодженого руху валків з неоднаковими катаючими діаметрами профілезгинальних станів

Денисова А.Е., Тодорцев Ю.К., Максименко И.Н. К вопросу об автоматизации интегрированной установки теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии

Бессараб В.И. Компьютеризированная система управления водоотливным хозяйством угольных шахт по критерию минимума энергозатрат

Хобин В.А. Регулятор переменной структуры для объектов технологического типа

Тонконогий В.М. Трехконтурная АСУ нанесением ионно-плазменного покрытия на режущий инструмент.

Колесникова Е.В., Кострова Г.В. Формирование базы данных АСУТП дуговой сталеплавильной печи.

Водічев В.А. Автоматизована система керування швидкостями робочих рухів то-карного верстата для підвищення ефективності обробки торцевих поверхонь.

Бергер Е.Г., Дмитрієв Д.О., Бергер Є.Е., Діневич Г.Ю. Синтез строфоїдографів за методом параметричних сімей.

Бабак В.П., В.Н. Стадніченко, О.Г. Приймаков Прогнозування надійності, дов-говічності та витривалості авіаційних матеріалів

Бабак В.П., Стадниченко В.Н., Приймаков О.Г., Токарчук В.В. Прогнозування витривалості авіаційних матеріалів .

Куцак Р.С. Використання методу координатного еталону в задачах автоматизації контролю якості тканини.

Попруга А.Г. Усовершенствование электрических нагревателей по критерию экономии энергии.

Пашковский А.А., Далечин А.Ю. Система регистрации спектров фотолюминес-ценции

Никольский В.В., Цюпко Ю.М. Применение пьезоэлектрических датчиков в сис-теме кондиционирования воздуха судовых систем микроклимата.

Крапивко Г.И., Хлопёнова И.А. Повышение коэффициента полезного действия кремниевых фотоэлектронных преобразователей методом лазерной гравировки.

Кихтенко Д.А. Управление шаговыми двигателями в микрошаговом режиме, оп-тимизация управления.

Горохов В.А. Автоматизированная транспортно-складская система в текстильной и легкой промышленности.

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И. Испытание фотоэлектрических преобразователей в условиях экстремальных температурных колебаний.

Худяев А.А. К проблеме повышения точности воспроизведенияв классе многоканальных воспроизводящих систем с эталонной настройкой каналов.

Тверезовський В.С., Бараненко Р.В. Принцип побудови елементів вимірювальних систем, представлених цифровими програмно керованими давачами.

Никольский В.В., Сандлер А.К. Моделирование процессов в вискозиметре с пьезоэлектрическим приводом.

Марончук И.Е., Андронова Е.В., Баганов Е.А., Курак В.В. Использование метода импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава для формирования наноразмерных структур InSb в матрице GaSb.

Водічев В.А. Аналого-цифровий регулятор режиму металообробки для верстатів з числовим програмним керуванням.

Блинов Э.И., Кравцов В.И., Кравцов А.В., Недбайло А.Н. Управление гибкими протяженными объектами направленными силовыми воздействиями.