Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 62-52:621.9.06

АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ ШВИДКОСТЯМИ РОБОЧИХ РУХІВ ТОКАРНОГО ВЕРСТАТА ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ОБРОБКИ ТОРЦЕВИХ ПОВЕРХОНЬ

Водічев В.А.

Підвищення продуктивності металообробних верстатів при зменшенні їх питомого енергоспоживання є однією з актуальних проблем машинобудування. Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є застосування на верстатах автоматизованих систем керування робочими рухами, які в умовах дії збурень забезпечують автоматичну зміну швидкостей цих рухів.

Системи стабілізації швидкості різання застосовуються на токарних і карусельних верстатах, а також плоскошліфувальних верстатах з круглим столом, і забезпечують поліпшення якості обробленої поверхні і підвищення продуктивності обробки [1]. Для таких систем розроблені структури, методи розрахунку параметрів регуляторів і схеми окремих елементів [1, 2]. Проте, системи стабілізації швидкості різання забезпечують компенсацію впливу на процес металообробки тільки одного збурення, яким є зміна діаметру обробки, застосування таких систем доцільно під час чистової обробки. При чорновій обробці торцевих поверхонь заготівок на показники ефективності процесу обробки впливає також інше збурення, яким є зміна глибини обробки. Дія цього збурення змушує зменшувати швидкість різання чи подачу так, щоб при максимальному значенні глибини обробки не було перевищено номінальне значення потужності приводу головного руху. В такому разі на ділянках заготівки з меншою глибиною різання у системі стабілізації швидкості різання зберігаються невикористані резерви підвищення продуктивності верстата.

Метою статті є розробка системи керування приводами головного руху і подачі токарного верстата, яка забезпечує компенсацію впливу на показники ефективності процесу обробки як зміни діаметру, так і зміни глибини обробки, дослідження динамічних характеристик системи і оцінка ефективності її застосування у порівнянні з обробкою на верстаті без системи керування швидкостями робочих рухів і з системою стабілізації швидкості різання і подачі.

Проведені розрахунки показали, що підвищення ефективності чорнової обробки торцевих поверхонь можна досягти, якщо при зміні діаметру обробки забезпечувати стабілізацію швидкості різання шляхом зміни частоти обертання заготівки, а при зміні глибини обробки стабілізувати потужність різання шляхом зміни величини подачі.

Для оцінки ефективності металообробки використано показники продуктивності і енергетичної ефективності [3]

                                                                                          ,

,

де Q – швидкість знімання металу, мм³/хв. Т – миттєва оцінка періоду стійкості інструменту, хв; t_зм – тривалість зміни інструменту, хв; Р_z – потужність обробки, кВт.

Складові показників J_п , J_е визначаються за формулами [1, 4]

,

,

                                                   ,                                                      (1)        

де D – діаметр обробки, мм; t_р – глибина різання, мм; S_о – подача, мм/об; S – швидкість подачі, мм/хв; V – швидкість різання м/хв, C_v, C_p, K_v, K_p, x_T, x, y_T, y_, q – коефіцієнти і показники степеня, які залежать від виду і умов обробки, оброблюваного матеріалу заготівки і матеріалу робочої частини різця .

Частота обертання заготівки при стабілізації заданого значення швидкості різання V_з знаходиться із співвідношення

                                                                               ,

Для стабілізації заданого значення потужності різання P_zз подача змінюється при зміні глибини обробки відповідно до формули

                                                                       .                                                                            (2)

Обмеження подачі відбувається максимально припустимим за умовою міцності інструменту значенням S_omax.

Швидкість подачі

                                                                                  .                                                                                       (3)

Для ілюстрації ефективності керування швидкостями робочих рухів при стабілізації швидкості і потужності різання розглянуто обробку на токарному верстаті торцевої поверхні заготівки з конструкційної сталі діаметром 400 мм різцем з твердосплавною пластиною Т15К6 товщиною 6 мм при зміні глибини обробки вздовж поверхні оброблюваної заготівки від 2 мм при діаметрі обробки 400 мм до 4 мм при діаметрі 40 мм. На розрахованих графіках (рис. 1) безперервні лінії відповідають обробці при стабілізації швидкості різання V_з=94 м/хв, яка забезпечує величину періоду стійкості інструменту Т=46 хв при мінімальній глибині обробки t_р =2 мм, максимальній подачі S_omax=2,5 мм/об і стабілізації потужності різання на рівні P_zз=10 кВт. Штрихові лінії відповідають обробці при стабілізації максимальної подачі S_omax і швидкості різання V_з=45,5 м/хв, за якої забезпечується потужність різання P_zз= 10 кВт при максимальній глибині обробки t_р =4 мм. Штрих-пунктирні лінії відповідають обробці з незмінними значеннями максимальної подачі S_omax і частоти обертання заготівки, яку обрано за умови отримання швидкості різання 45,5 м/хв при максимальному діаметрі обробки. При застосуванні системи стабілізації швидкості і потужності різання більша частина поверхні заготівки обробляється з більшою швидкістю подачі, що забезпечує зростання показника продуктивності обробки при максимальному діаметрі обробки майже в два рази у порівнянні з обробкою з постійними швидкостями робочих рухів і з системою стабілізації швидкості різання і подачі. Значення показника енергетичної ефективності при цьому зростає на 11%, хоча його значення при мінімальному діаметрі обробки є на 9 % нижчими, ніж при стабілізації швидкості різання і подачі.

Система (рис. 2), яка реалізує викладений вище принцип керування, містить два кола керування: стабілізації швидкості різання V і стабілізації потужності різання P_z. Перше з них містить блок ділення БД1 з обмежувачем вихідного сигналу, електропривод головного руху ЕПГ і датчик ДД діаметру обробки D. Принцип налаштовування цього кола керування викладено у [2].

Якщо система стабілізує подачу на оберт заготівки при зміні частоти її обертання, то сигнал задання u_кп швидкості електропривода подачі має бути пропорційним цій частоті, тому у системі керування він формується з сигналу датчика ДШ частоти обертання заготівки, а величина коефіцієнту передачі ДШ встановлюється згідно зі співвідношенням

,

де            К_епп – коефіцієнт передачі електропривода подачі разом з передаточним механізмом.

Для стабілізації потужності обробки в умовах зміни її глибини зміна величини подачі може забезпечуватись шляхом відповідної зміни коефіцієнта передачі ланцюга задання швидкості подачі, для чого у цей ланцюг увімкнено блок множення БМ2. На другий вхід блока множення надходить сигнал налаштовування, сформований інтегральним регулятором Р, на вхід якого надходить різниця сигналів задання потужності різання u_зп і зворотного зв’язку u_дп від датчика потужності ДП. Вихідний сигнал регулятора обмежується на одиничному рівні, що забезпечує обмеження подачі максимальним значенням S_omax і її зменшення при перевищенні потужністю різання заданого значення. Блок БД2 і нелінійна ланка на схемі системи (рис.2) відтворюють залежності (1) і (3). Початку обробки відповідає максимальне значення діаметру D_m, яке зменшується в процесі обробки, що враховано у схемі за допомогою інтегратора, на вхід якого надходить сигнал швидкості подачі.

На структурній схемі (рис. 3) подано коло стабілізації потужності різання розглянутої системи керування. Електропривод подачі інструменту на схемі подано коливальною ланкою другого порядку зі сталою часу Т_еп і коефіцієнтом демпфірування ξ, процес обробки і датчик потужності – аперіодичними ланками з коефіцієнтами передачі К_п, К_дп і сталими часу Т_п і Т_дп. Для забезпечення стійкості системи на виході інтегратора зі сталою часу Т_і увімкнуто фільтр зі сталими часу Т₁ і Т₂ . У цій схемі два коефіцієнти передачі ланок є змінними. Зміна в процесі обробки коефіцієнта К₁=К_ш n обумовлена дією системи стабілізації швидкості різання при зміні діаметру обробки. Зміна коефіцієнта передачі К_п відбувається під впливом зміни глибини обробки. Максимального значення змінна частина коефіцієнту передачі розімкнутої системи набуває при максимальній глибині обробки.

Питанням синтезу системи є визначення за умовою стійкості системи величини сталої часу Т_і. Її попереднє визначення можна виконати спростивши структурну схему (рис. 3), приблизно вважаючи (Т₁р+1)≈ (Т_пр+1)(Т_дпр+1)(Т₂р+1).

 В такому разі умовою стійкості системи буде

                                                                              .                                                                                   (4)

де К_Σ= К_еппК_дпК_шК_пn – коефіцієнт підсилення розімкнутої системи.

За (4) сталу часу Т_і необхідно визначати для максимального значення коефіцієнту К_Σ, яке відповідає максимальному значенню його змінної складової

                                                                             ,

де подача S_omin має бути визначена за формулою (2) для максимально можливого значення глибини різання.

Для надання системі необхідного запасу стійкості доцільно зменшити значення сталої часу Т_і відносно визначеного за (4). Для цього достатньо у середовищі Simulink набрати структурну схему системи (рис.3) і за допомогою програми LTI viewer отримати логарифмічні амплітудні і фазові частотні характеристики. Зменшуючи в структурній схемі значення Т_і, одержати необхідні запаси стійкості за фазою і амплітудою. Ілюстрацією цього є отримані таким шляхом логарифмічні частотні характеристики системи стабілізації потужності різання (рис. 4), що відповідають умовам обробки, для яких виконано розрахунок показників ефективності обробки (рис.1).

Амплітудо-частотна характеристика 1 відповідає сталій часу Т_і = 0,25 с, яка визначена за умовою (4) і забезпечує знаходження системи на межі стійкості, а характеристика 2 відповідає сталій часу Т_і = 0,5 с, за якої буде стійкою а запас по фазі складатиме 45°.

Дослідження системи стабілізації швидкості і потужності різання проведено на математичній моделі за допомогою пакету моделювання динамічних систем Simulink для вказаних вище умов обробки торцевої поверхні стальної заготівки. Результати дослідження подано у вигляді графіків залежностей швидкості різання V, частоти обертання заготівки n, діаметру обробки D, швидкості подачі S, подачі S_о, глибини різання t_р, потужності різання P_z від часу t (рис. 5).

З графіків видно, що під час обробки в умовах зміни діаметру і глибини різання задані значення швидкості і потужності різання підтримуються без похибки. У момент часу t=37 с здійснюється переключення ступенів коробки швидкостей у приводі головного руху, що застосовується для збільшення діапазону регулювання швидкості електропривода, у якому припустимим за нагріванням двигуна навантаженням є постійна потужність.

Отже, проведене дослідження розробленої системи стабілізації потужності обробки з взаємозв’язаним керуванням швидкостями електроприводів робочих рухів свідчить про її працездатність і ефективність її застосування на токарних верстатах під час обробки торцевих поверхонь заготівок із змінною величиною припуску. У порівнянні з системою зі стабілізацією швидкості різання і подачі запропонована система забезпечує більш високу продуктивність обробки, а на окремих ділянках заготівки - зменшення питомого енергоспоживання верстата.

ЛІТЕРАТУРА

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

2.                  Водічев В.А. Порівняльний аналіз систем стабілізації швидкості різання металообробних верстатів// Труды Одесского политехн. ун-та. – Одесса, 2002. – Вып. 2 (18). – С. 136–140.

3.                  Водічев В.А. Керування швидкістю подачі верстата при багатокритеріальній оптимізації процесу силового шліфування// Електромашинобудування та електрообладнання: Міжвід. наук.-техн. збірник. – К.: Техніка, 2003. – Вип. 61. – С. 3-10.

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