РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ
2.1. Основные направления усовершенствования систем управления процессами металлообработки
В современных условиях для всех отраслей машиностроения актуальной задачей является увеличение производительности металлорежущих станков и уменьшение затрат энергии на производство продукции. При этом управление процессом металлообработки по условию уменьшения затрат энергии должно быть согласовано с решением основной технологической задачи по получению детали заданной формы и размеров и не противоречить требованиям обеспечения высокой производительности технологического оборудования.
Для процессов фрезерной обработки характерно, что режимы резания, соответствующие экстремальным значениям всех показателей эффективности, в том числе и энергетического, находятся на границах области допустимых значений скоростей рабочих движений станков. При этом усовершенствование систем управления процессом фрезерной обработки может быть осуществлено в следующих направлениях. При управлении режимами резания целесообразно отказаться от применения специализированного регулятора, использование которого требует дополнительных капитальных затрат и увеличивает стоимость системы управления. При автоматическом определении эффективного с точки зрения энергопотребления режима обработки целесообразно возложить функции управления скоростями рабочих движений станка на уже имеющиеся на станках управляющие устройства, которые обеспечивают управление циклом обработки. Такими устройствами являются программируемые логические контроллеры.
Серийно выпускаемые контроллеры ведущих мировых производителей обладают возможностью реализовать программу нечеткого вывода, записанную, например, на языке нечеткого управления или языке FCL. Поэтому при разработке системы управления целесообразно использовать имеющееся у контроллеров программное обеспечение. Применение нечеткого регулятора (НР) в системах управления технологическим процессом металлообработки является оправданным, учитывая также следующее. В процессе обработки могут изменяться в широких пределах возмущающие воздействия в виде изменения глубины и ширины обработки, твердости обрабатываемого материала, состояния режущего инструмента [110]. При этом до начала процесса обработки точная информация о возмущениях и факторах, влияющих на изменение силовых параметров процесса резания, отсутствует. Поэтому возлагаемой на НР задачей является поддержание технологического параметра в заданном диапазоне отклонений от требуемого значения при возникновении контролируемых и неконтролируемых возмущений.
Для процесса силового шлифования на станках с круглым столом и вертикальным шпинделем характерно расположение экстремума показателя энергетической эффективности процесса в пределах допустимых значений скоростей вертикальных подач. Процесс силового шлифования также подвергается воздействию большого числа возмущений. Главным возмущающим фактором, который обусловливает изменение положения экстремума показателя энергетической эффективности процесса обработки относительно скорости подачи, является изменение скорости износа шлифовального круга, работающего в режиме самозатачивания. Это обусловило применение для оптимизации процесса силового шлифования поисковых систем управления. Существенным недостатком таких систем является значительная продолжительность пробных воздействий в виде изменения скорости подачи для поиска оптимального режима работы. При этом обработка длительное время происходит не в наилучшем с точки зрения энергопотребления режиме. Усовершенствование систем управления процессом силового шлифования должно предусматривать создание беспоисковой системы с аналитическим определением экстремума показателя энергетической эффективности. Для этого должна быть установлена зависимость скорости подачи, соответствующей экстремуму показателя энергетической эффективности процесса шлифования и параметров, характеризующих скорость износа инструмента.
2.2. Разработка алгоритма управления процессом обработки для повышения эффективности фрезерования
Как было показано выше, для повышения производительности и качества обработки в металлорежущих станках применяются автоматизированные системы управления для стабилизации мощности резания. Общую структуру системы стабилизации мощности резания фрезерного станка рассмотрим с помощью функциональной схемы (рис. 2.1). Обрабатываемая заготовка З, установлена на столе С станка, который перемещается через передачу винт-гайка двигателем подачи Д1, который получает питание от преобразователя ТП. Обработка осуществляется фрезой Ф, которая приводится во вращение приводом главного движения с двигателем Д2 и преобразователем ЧП. В устройство управления УУ, выполненное на базе программируемого контроллера, поступают сигнал задания мощности обработки uзо, и сигнал обратной связи по мощности uдм от датчика мощности ДМ обработки, который может быть датчиком мощности двигателя главного движения. УУ формирует сигналы управления приводами рабочих движений станка.
Для установившегося режима работы математическая модель объекта управления, которым является технологический процесс фрезерования, может быть сформирована с помощью системы уравнений, в состав которой входят следующие зависимости [87].
Скорость резания
, (2.1)
где n - частота вращения шпинделя (фрезы), об/мин;
Dф - диаметр фрезы, мм
Подача на зуб
, (2.2)
где z - количество зубьев фрезы.
Главная составляющая силы резания
, (2.3)
где Cp, q, x, u, w - коэффициенты и показатели степени, которые зависят от обрабатываемого материала и инструмента;
Kp - коэффициент, который учитывает условия обработки.
Мощность обработки в установившемся режиме работы:
,