Одеський національний політехнічний університет

Мусааб Мохамед Ахмед Алі

УДК 62-52:621.9

УДОСКОНАЛЕННЯ АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ МЕТАЛООБРОБКИ

Спеціальність 05.13.07 – Автоматизація процесів керування

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник |

доктор технічних наук, професор

Водічев Володимир Анатолійович

Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедри електромеханічних систем з комп’ютерним управлінням

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

Кузнецов Борис Іванович

Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри колісних та гусеничних машин

доктор технічних наук, професор

Хобін Віктор Андрійович

Одеська національна академія харчових технологій, професор кафедри автоматизації виробничих процесів

Захист дисертації відбудеться 6 березня 2008 р. о 13.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий 5 лютого 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради |

Ю.С. Ямпольський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з важливих завдань для машинобудування є підвищення продуктивності і скорочення енергоспоживання металообробного устаткування. Розробці систем керування, що підвищують продуктивність і точність металообробки знижують її собівартість і питоме енергоспоживання верстатів в умовах зміни збурювальних дій в широких межах присвячені роботи українських і зарубіжних учених. Проте залишається низка невирішених питань, які визначають напрями вдосконалення систем керування технологічними процесами металообробки.

Розроблені системи стабілізації силових параметрів процесів обробки фрезеруванням відрізняються структурою регуляторів, корегуючих пристроїв, кількістю керованих робочих рухів верстата. Вони реалізуються шляхом застосування на верстатах спеціалізованих регуляторів. В той же час для керування циклами роботи металорізальних верстатів зараз знаходять широке застосування програмовані контролери, що дозволяють реалізувати нечіткі системи керування. Доцільно використовувати ці можливості контролерів для керування не тільки циклом, але і режимом обробки. Проте питання застосування фази-регуляторів для керування технологічним процесом металообробки при стабілізації потужності різання не досліджені. Застосування нечіткого регулятора, що реалізується програмованим контролером, виявляється особливо корисним, оскільки технологічний процес фрезерування як ланка автоматизованої системи керування характеризується зміною під дією обурень коефіцієнта підсилення і сталої часу.

Наявні в літературі відомості про математичний опис процесу фрезерування, як об'єкту керування автоматизованої системи у ряді випадків суперечать наявним експериментальним даним. Відсутність достовірних відомостей про залежність сталої часу процесу фрезерування від параметрів режиму обробки утрудняє розробку систем керування, що підвищують ефективність металообробки. Тому потрібне проведення додаткових досліджень з уточнення математичної моделі процесу фрезерування.

На плоскошліфувальних верстатах для оптимізації процесу силового шліфування застосовують пошукові системи, що використовують різні алгоритми пошуку екстремуму тієї або іншої цільової функції. Загальним недоліком таких систем є значна тривалість пошуку оптимального режиму обробки. При оптимізації за критерієм мінімального питомого енергоспоживання в процесі пошуку екстремуму технологічний процес силового шліфування здійснюється не в якнайкращому з погляду енергоспоживання режимі. Тому актуальною є розробка методу керування процесом силового шліфування, на основі якого оптимізація процесу обробки здійснюватиметься безпошуковою системою з аналітичним визначенням значення швидкості подачі, відповідної в даних умовах екстремальному значенню показника енергетичної ефективності обробки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до плану науково - дослідних робіт Одеського національного політехнічного університету. Автор впродовж 2003-2007 рр. брав участь як виконавець в наступних науково-дослідних роботах: №527-52 (№ державній реєстрації 0103U001822) “Розробка і дослідження автоматизованих систем управління робочими рухами верстатів для підвищення ефективності технологічних процесів металообробки”; №568-52 (№ державній реєстрації 0107U001966) “Дослідження електромеханічних систем автоматизації промислових установок і побутової техніки”.

Мета і завдання досліджень. Мета даного дослідження полягає в удосконаленні автоматизованих систем керування робочими рухами металорізальних верстатів для обробки фрезеруванням і шліфуванням, що забезпечують збільшення продуктивності і зменшення енергоспоживання верстатів при виконанні технологічних процесів металообробки.

Виходячи із загальної мети дослідження, вибрано два напрями удосконалення систем керування для поліпшення показників процесів металообробки.

Перший напрям – удосконалення системи, що забезпечує стабілізацію силового параметра при обробці на фрезерних верстатах. Другий напрям дослідження відноситься до вдосконалення системи оптимізації процесу силового шліфування на плоскошліфувальних верстатах.

Для досягнення вказаної мети в роботі потрібно було вирішити наступні завдання:

1. Розробити на основі нечіткого регулятора систему керування процесом фрезерування, що забезпечує стабілізацію потужності різання при взаємозв'язаному керуванні головним рухом і рухом подачі верстата.

2. Уточнити математичну модель об'єкту керування системи стабілізації потужності при фрезеруванні.

3. Розробити метод розрахунку значення швидкості подачі, відповідного екстремуму цільової функції, що дозволяє реалізувати безпошукову систему оптимізації технологічного процесу силового шліфування за критерієм мінімального питомого енергоспоживання.

4. Виконати дослідження розроблених систем керування процесами металообробки на моделях і провести оцінку їх характеристик в сталих і перехідних режимах.

Об'єктом дослідження є технологічні процеси фрезерування і силового шліфування.

Предметом дослідження є автоматизовані системи керування процесами фрезерування і силового шліфування.

Методи досліджень. У теоретичних дослідженнях застосовані основні положення технології машинобудування, математичного аналізу, теорії автоматичного керування, нечіткої логіки. Аналіз динамічних характеристик розроблених автоматизованих систем керування виконаний шляхом математичного моделювання з використанням чисельних методів розв’язання диференціальних рівнянь. Уточнення математичної моделі процесу фрезерування виконане на основі проведених на фрезерному верстаті експериментальних досліджень залежності потужності різання від часу.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вдосконалена автоматизована система керування технологічним процесом фрезерування на основі розробленого нечіткого регулятора, що забезпечує стабілізацію потужності різання і подачі при взаємозв'язаному керуванні головним рухом і рухом подачі.

2. Отримала подальший розвиток математична модель технологічного процесу обробки фрезеруванням як динамічної ланки автоматизованої системи керування, в якій встановлена залежність сталої часу процесу обробки від частоти обертання інструменту, швидкості подачі і глибини різання.

3. Вдосконалена автоматизована система оптимізації технологічного процесу силового шліфування шляхом формування керуючої дії із застосуванням отриманих аналітичних виразів, що зв'язують прогнозоване значення періоду стійкості інструменту і значення швидкості подачі, відповідне екстремуму цільової функції, що характеризує питоме енергоспоживання верстата.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Застосування розробленого нечіткого регулятора, що реалізує взаємозв'язане керування швидкостями робочих рухів при стабілізації потужності різання і подачі дозволяє скоротити тривалість обробки на 19 % без збільшення кількості енергії, витраченої на обробку, в порівнянні з обробкою з постійними швидкостями робочих рухів і - зменшити на 8 - 9 % енергоспоживання фрезерних верстатів у порівнянні з обробкою при стабілізації потужності різання за рахунок керування тільки швидкістю подачі.

2. Розроблені нечіткі регулятори можуть бути реалізовані на основі програмованих контролерів, що застосовуються на верстатах для керування циклом обробки. При цьому без додаткових капіталовкладень на спеціалізований регулятор забезпечуються стабілізація потужності різання без похибки в сталих режимах і хороша якість перехідних процесів в системі керування процесом фрезерування.

3. Застосування розробленого алгоритму керування швидкістю вертикальної подачі плоскошліфувального верстата в порівнянні з відомими алгоритмами крокового пошуку дозволяє скоротити на 38 % тривалість пошуку екстремуму показника енергетичної ефективності режиму обробки при силовому шліфуванні.

Результати роботи упроваджені при проектуванні систем керування металорізальними верстатами в Одеському СКБ спеціальних верстатів, а також використовуються в навчальному процесі Одеського національного політехнічного університету в курсах лекцій з дисциплін “Автоматизація процесів металообробки” і “Діагностика і дефектоскопія матеріалів і виробів” і курсовому проектуванні.

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї і розробки, які виносяться на захист, належать авторові. У наукових роботах, написаних із співавторами, авторові належать: [1] – формування фази – правил і функцій приналежності для нечіткого регулятора, [2] – схема моделі і порівняльна оцінка систем стабілізації потужності з традиційним і нечітким регуляторами, [3] – схема моделі системи з взаємозв'язаним керуванням робочими рухами і результати дослідження системи на моделі, [4] – аналітичний метод розрахунку значення швидкості подачі, який відповідає екстремуму цільової функції при оптимізації процесу силового шліфування, [5] – результати дослідження системи оптимізації процесу силового шліфування на моделі, [6] – формування вхідних і вихідної лінгвістичних змінних регулятора, [7] – програма керування процесом обробки для контролера.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації докладалися і обговорювалися на конференціях і семінарах: Міжнародній науково-технічній конференції “Електромеханічні системи, методи моделювання і оптимізації” (Кременчуцький державний політехнічний університет, м. Кременчук, 2006 р.); Сьомій міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні і електронні технології” (Одеський національний політехнічний університет, м. Одеса, 2006 р.); XII, XIII і ХIV міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика” (Крим, 2005 г.; м. Одеса, 2006 г.; Крим, 2007 р.); семінарі НАН України “Проблеми цифрового управління вентильними електроприводами і системи оптимізації технологічних процесів” (Одеса, ОНПУ, 2003-2006 рр.)

Публікації. За результатами виконаних в дисертаційній роботі досліджень опубліковано 5 статей в фахових науково – технічних журналах і збірках наукових праць і 2 тези доповідей в матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів і висновків, викладених на 113 сторінках основного тексту, включаючи 57 рисунків і 8 таблиць, списку використаних джерел з 118 найменувань на 17 сторінках і додатків на 51 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначена актуальність науково-технічного завдання, вирішенню якого присвячена робота, вказані основна мета і завдання роботи, сформульовані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі на підставі матеріалів, опублікованих у вітчизняній і зарубіжній технічній літературі, приводиться аналіз систем керування технологічними процесами металообробки, які забезпечують підвищення їх продуктивності, точності, зменшення енергоспоживання.

Аналіз існуючих систем керування процесами обробки на фрезерних верстатах показав, що для підвищення ефективності обробки застосовуються системи стабілізації потужності різання з керуванням одній і двома швидкостями робочих рухів верстата. Більшість з них реалізуються спеціалізованими регуляторами. При цьому, не дивлячись на те, що процес обробки як об'єкт керування автоматизованої системи характеризується заздалегідь точно не передбаченою зміною параметрів, питання застосування для керування процесом нечітких регуляторів не досліджені.

Проаналізовано математичний опис процесу фрезерування, як об'єкту керування автоматизованої системи. Аналіз показав, що процес обробки представляють зазвичай аперіодичною ланкою першого або другого порядку. Але значення сталих часу процесу, розрахованих відповідно до пропонованих залежностей, суперечать наявним експериментальним даним. Відсутня оцінка впливу на сталу часу глибини різання і швидкості подачі. Це вимагає додаткових досліджень по уточненню залежності сталої часу процесу фрезерування від параметрів режиму обробки.

Розроблені системи керування для оптимізації технологічного процесу силового шліфування за критерієм мінімального питомого енергоспоживання використовують метод крокового пошуку екстремуму, який характеризуються значною тривалістю пошуку оптимального режиму обробки. Тому необхідна розробка нового, ефективнішого методу керування.

Проведений аналіз визначив мету і завдання дисертаційної роботи.

У другому розділі розроблені основні теоретичні положення з удосконалення систем керування процесами фрезерування і силового шліфування.

Для процесів фрезерної обробки є характерним, що режими різання, які відповідають якнайкращим значенням показників продуктивності і питомого енергоспоживання, знаходиться на межах області допустимих значень швидкостей робочих рухів верстата. Здійснено розрахунок області допустимих значень швидкості подачі і частоти обертання фрези. Запропоновано при керуванні процесом фрезерування в умовах зміни величини припуску, що знімається, стабілізувати потужність різання і подачу за рахунок взаємозв'язаного керування швидкістю подачі і частоти обертання фрези з підтримкою максимально припустимого значення подачі. Перевірка ефективності такого способу керування технологічним процесом фрезерування виконана шляхом розрахунку тривалості обробки і енергоспоживання на здійснення процесу фрезерування заготівки з сірого чавуну торцевою фрезою з пластинами з твердого сплаву при зміні глибини обробки від 2 мм до 4 мм. Виконано порівняння обробки з взаємозв'язаним керуванням швидкостями робочих рухів з обробкою при стабілізації потужності за рахунок керування тільки швидкістю подачі і при обробці з постійними швидкостями робочих рухів. Результати розрахунків показали, що при стабілізації потужності фрезерування і подачі з взаємозв'язаним керуванням швидкістю подачі і частоти обертання фрези при таких самих витратах енергії, як і при обробці з постійними швидкостями робочих рухів, забезпечується відносне скорочення тривалості обробки на 19%. При стабілізації потужності фрезерування з керуванням тільки швидкістю подачі відносне скорочення тривалості обробки порівняно з обробкою при постійних швидкостях робочих рухів складає 11,3%, а відносне збільшення споживаної енергії складає 8,9%.

Для керування технологічним процесом фрезерування із стабілізацією потужності різання і подачі розроблено нечіткий регулятор, який аналізує стан двох сигналів на його вході: а) пропорційного потужності різання б) і - її похідній. Вихід нечіткого регулятора формує в) задане прискорення електроприводу подачі верстата, а сигнал задання швидкості подачі формується як сума постійного сигналу і проінтегрованого вихідного сигналу нечіткого регулятора. Сигнал задання швидкості електроприводу головного руху пропорційний сигналу задання швидкості подачі.

Як терм-множина першої лінгвістичної змінної використана множина P ={ потужність різання менше заданої PNB, потужність дорівнює заданій Z, потужність більше заданої PPS}. У якості терм – множини другої лінгвістичної змінної використана множина dP={потужність зменшується дуже швидко NB, потужність зменшується швидко NS, потужність не змінюється Z, потужність збільшується швидко PS, потужність збільшується дуже швидко PB}. У якості терм – множини вихідної лінгвістичної змінної використано множину Ud={ прискорення негативне велике NB, прискорення негативне середнє NM, прискорення негативне мале NS, прискорення дорівнює нулю Z, прискорення позитивне мале PS, прискорення позитивне середнє PM, прискорення позитивне велике PB}.

Реалізація основних етапів розробки нечіткого регулятора (НР) проводиться з використанням алгоритму виводу по Мамдані. Графіки функцій приналежності вхідних і вихідної змінних зображені на рис. 1.

На підставі набутих лінгвістичних значень і з використанням бази правил

регулятора (табл. 1) проводиться нечіткий логічний вивід, в результаті якого обчислюються лінгвістичні значення вихідної змінної.

Розроблений НР може бути реалізований на базі програмованого контролера, що керує циклом обробки на верстаті.

При оптимізації процесу силового шліфування застосовується показник енергетичної ефективності

,

де О – об'єм металу, знятий за період стійкості інструменту, мм3; А – енергія, витрачена на процес обробки, за період стійкості, кВт·хв, Q – швидкість знімання металу, мм3/хв; Pz – потужність, що витрачається на обробку, кВт; Т – період стійкості шліфувального круга, хв.

Поточне значення Q залежить від швидкості вертикальної подачі S і швидкості зносу шліфувального круга, що визначає період його стійкості. При розробці безпошукової системи оптимізації процесу силового шліфування на верстатах з вертикальним шпинделем в основу математичної моделі процесу обробки покладена залежність прогнозованого значення періоду стійкості шліфувального круга від швидкості подачі

, (1)

де CТ, у – коефіцієнт і показник степеня, що залежать від умов обробки.

Коефіцієнт CТ і показник степеня у можуть змінюватися не тільки при зміні оброблюваного матеріалу, марки інструменту і ширини обробки, але і при обробці однакових деталей і навіть під час обробки однієї деталі. Положення екстремуму показника ефективності обробки щодо швидкості подачі залежатиме від значень коефіцієнта CТ і показника степеня у. Для дослідження впливу коефіцієнта СТ і показника степеня у на положення екстремуму показника Je із застосуванням методу дихотомії проведений розрахунок значень швидкостей подач, відповідних цим екстремумам (рис. 2, штрихові лінії). При апроксимації цих залежностей (суцільні лінії на рис. 2) отриманий вираз для визначення оптимальної швидкості подачі

,

де Кн – коефіцієнт, и – показник степеня.

Значення коефіцієнта Кн і показника степеня u змінюються відповідно до зміни показника степеня у у виразі (1).

Залежність u(y) має вигляд, відповідний кривим на рис. 3, а. Для її апроксимації використана формула

.

Встановлені значення параметрів а і b: а = -1 і b = 1.

Залежність Кн(u) (штрихові лінії на рис. 3, б) апроксимована з використанням формули

.

Встановлені значення с и d: c = -0.49 и d = 1.914.

В процесі обробки за показаннями датчика зносу шліфувального круга розраховується прогнозоване значення періоду його стійкості. Для визначення за цим значенням величин СТ і у отримані залежності СТ(Т) і у(Т) (штрихові лінії на рис. 4).

Прийняті такі формули для апроксимації цих залежностей

, .

При розв’язанні системи рівнянь для залежності СТ(Т) встановили параметри у і f: e = 68.5 і f = -5.44. Для залежності у(Т): g = 106.4 і h = 1.61.

Отримані вирази забезпечують можливість реалізації безпошукової системи оптимізації процесу силового шліфування на верстатах з круглим столом і вертикальним шпинделем. Система реалізується на базі пристрою програмного керування верстатом, який, контролюючи за сигналом датчика поточне значення швидкості зносу шліфувального круга, розраховує і підтримує в процесі обробки значення швидкості подачі, відповідні екстремуму показника енергетичної ефективності процесу силового шліфування.

Третій розділ присвячений уточненню на основі експериментальних досліджень математичної моделі процесу фрезерування як об'єкту керування автоматизованої системи.

Для проведення експерименту створена експериментальна установка, функціональна схема якої зображена на рис. 5.

Експерименти проводилися на вертикально - фрезерному верстаті моделі 6Б75 при фрезеруванні заготівки з сірого чавуну кінцевою фрезою з швидкоріжучої сталі Р6М5. В процесі експериментів при врізуванні інструменту в заготівку проводився запис в пам'ять персонального комп'ютера сигналу датчика активної потужності асинхронного двигуна головного руху, перетвореного за допомогою АЦП. За отриманими осцилограмами визначалися параметри об'єкту керування з передавальною функцією, визначуваною послідовним з'єднанням ланок з передавальними функціями процесу обробки Нпо(р), асинхронного двигуна Нд(р) і датчика потужності Ндм(р) (рис. 6).

При цьому об'єкт керування представлений аперіодичною ланкою з передавальною функцією

, (2)

де Тпо, Тм, Тдм – салі часу процесу обробки, двигуна, датчика потужності відповідно; kпо, kдм – передавальні коефіцієнти процесу обробки і датчика потужності.

Вираз для перехідної функції системи

, (3)

де k = kпо kдм – коефіцієнт підсилення системи.

Для визначення параметрів передавальної функції об'єкту розв’язана задача нелінійної регресії з задання виду функції і визначення чисельних значень її параметрів, що забезпечують найменшу погрішність наближення до множини значень. Погрішність наближення обчислена методом найменших квадратів. Для цього виконана мінімізація функції квадратів залишкових похибок.

У середовищі Matlab за допомогою редактора Curve Fitting Toolbox складена програма для підбору параметрів до заданої функції апроксимації. З урахуванням того, що для досліджуваного двигуна стала часу Тм більш ніж на порядок менша за інші сталі часу об’єкта керування і нею можна нехтувати, в результаті розрахунку встановлено, що передавальна функція процесу фрезерування відповідає аперіодичній ланці другого порядку з однаковими сталими часу

, (4)

де kпо – коефіцієнт передачі процесу фрезерування; Тпо – стала часу процесу фрезерування.

На рис. 7 показано порівняння експериментальних залежностей вихідного сигналу датчика потужності двигуна головного руху при урізуванні інструменту в заготівку і розрахункової перехідної характеристики об'єкту керування, в якому процес обробки представлений передавальною функцією (4).

Обробка великої кількості знятих осцилограм показала, що стала часу процесу фрезерування змінюється зворотно пропорційно до частоти обертання фрези n і швидкості подачі S, і пропорційно глибині різання tp і числу зубів фрези Z. Отримано наступний вираз, що зв'язує сталу часу процесу фрезерування з параметрами процесу

, (5)

де А – коефіцієнт, що визначає тип ріжучого інструменту і матеріал оброблюваної заготівки.

Четвертий розділ присвячений дослідженню систем керування технологічними процесами фрезерування і силового шліфування на математичних моделях.

Для дослідження динамічних режимів роботи автоматизованої системи керування процесом фрезерування, складена модель системи в середовищі Simulink (рис. 8) з можливістю дослідження декількох варіантів систем.

При дослідженні на моделі розглянуто випадок зняття кінцевою фрезою з поверхні заготівки припуску, який змінюється щаблями завглибшки 1,5; 2,0; 2,5 мм і завдовжки 10 мм кожний. Результати моделювання представлені у вигляді графіків залежностей потужності обробки Р, швидкості подачі S, частоти обертання шпинделя n, подачі на зуб Sz і глибини обробки tp від часу t. Для дослідження процесу обробки на верстаті з постійними швидкостями робочих рухів, для забезпечення найменшої можливої тривалості обробки вибрано найбільше допустиме значення подачі, а частота обертання шпинделя для найбільшого в процесі обробки значення глибини фрезерування. При цьому потужність обробки досягає заданого значення при максимальній глибині фрезерування (рис. 9, а).

При обробці цієї ж заготівки із застосуванням системи стабілізації потужності з фази - регулятором і керуванням тільки швидкістю подачі при зміні глибини обробки змінюється швидкість подачі і значення подачі на зуб фрези (рис. 9, б). У системі з фази - регулятором при взаємозв'язаному керуванні змінюються частота обертання шпинделя і швидкість подачі, а задане значення подачі підтримується незмінним (рис. 9, в).

При моделюванні систем виконана порівняльна оцінка тривалості обробки заготівки і витрат енергії на неї. Встановлено, що система з взаємозв’язаним керуванням швидкістю подачі і частотою обертання фрези, що стабілізує потужність різання і подачу, в порівнянні з обробкою при постійних швидкостях робочих рухів забезпечує скорочення тривалості обробки на 19% при таких самих витратах енергії, а в порівнянні з системою стабілізації потужності з керуванням тільки швидкістю подачі час обробки скорочується на 8,7%, а витрати енергії - на 8,9 %.

Для процесу силового шліфування проаналізована робота безпошукової системи оптимізації технологічного процесу за критерієм мінімального питомого енергоспоживання.

Модель системи керування електроприводом вертикальної подачі верстата містить п'ять основних блоків підсистем: задання швидкості подачі, привід подачі, процес обробки, прогноз поточного значення періоду стійкості інструменту, розрахунок оптимальної швидкості подачі.

Змодельований процес прогнозування періоду стійкості інструменту відповідно до отриманої інформації від датчика контролю контакту шліфувального круга у вигляді SF діаграми (рис. 10).

По результатах, які обчислені в блоці SF діаграми, виконуються послідовні розрахунки залежностей СТ(Т), у(Т), u(y), Kн(u) в блоці “розрахунок оптимальної швидкості подачі” для визначення швидкості подачі, що відповідає екстремуму показника Jе (рис. 11).

Результати моделювання роботи системи оптимізації процесу силового шліфування приведені у вигляді графіків залежностей швидкості подачі S і показника енергетичної ефективності процесу Je від часу t (рис. 12, а).

На перших 2,5 с процес відбувається підведення шліфувального круга до заготівки із швидкістю подачі S = 2,5 мм/хв, після чого встановлюється початкове значення швидкості робочої подачі S = 0,4 мм/хв і починається процес обробки з цією швидкістю, яка забезпечує першу випробувальну дію.

Після завершення зняття першого шару металу і розрахунку значення миттєвої оцінки стійкості інструменту виконується розрахунок значення швидкості подачі, яка відповідає екстремуму функції Je(S) і відповідний сигнал задання надходить на вхід електроприводу (момент часу t=13 с).

Шляхом моделювання виконано також порівняння часу знаходження екстремуму показника Je в системі, що функціонує за розробленим алгоритмом і в системі з використанням методу крокового пошуку (рис. 13, б). Встановлено, що при керуванні за запропонованим алгоритмом цей час скорочується на 38%.

ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз систем керування робочими рухами верстатів для підвищення ефективності процесів металообробки, на підставі якого визначені наявні недоліки цих систем і сформульовані мета і завдання дисертаційної роботи.

2. На базі методів теорії нечітких множин розроблений нечіткий регулятор для системи стабілізації потужності різання при фрезеруванні. Розроблена програма нечіткого управління систем ТПМО на мові FLC.

3. Проведений аналіз сталого режиму роботи систем керування технологічним процесом фрезерування. Результати аналізу показали, що при застосуванні системи з взаємозв'язаним керуванням швидкістю подачі і головного руху зі стабілізацією потужності різання і подачі процес обробки відбувається з такими ж витратами енергії, але вищою продуктивністю, ніж при обробці з постійними швидкостями робочих рухів, при цьому відносне скорочення тривалості обробки складає 19%.

4. Показано, що при стабілізації потужності фрезерування з керуванням тільки швидкістю подачі відносне скорочення тривалості обробки порівняно з обробкою при постійних швидкостях робочих рухів складає 11,3%, при цьому, відносне збільшення споживаної енергії складає 8,9%. Застосування системи стабілізації потужності фрезерування з керуванням швидкістю подачі і головного руху з підтримкою заданого значення подачі у порівнянні з системою з керуванням тільки швидкістю подачі забезпечує відносне скорочення тривалості обробки на 8,7%.

5. Встановлено що, передавальна функція процесу фрезерування відповідає аперіодичній ланці другого порядку з однаковими сталими часу. На основі проведеного експериментального дослідження обгрунтовано вплив на значення сталої часу таких параметрів процесу обробки як глибина різання, частота обертання фрези і швидкість подачі. Отримано математичний вираз для опису залежності сталої часу від параметрів процесу обробки.

6. Запропоновано метод розрахунку оптимального значення швидкості вертикальної подачі на основі математичної моделі процесу силового шліфування, що дозволяє реалізувати безпошукову систему оптимізації технологічного процесу силового шліфування на верстатах з круглим столом і вертикальним шпинделем.

7. Проаналізована робота безпошукової системи оптимізації технологічного процесу силового шліфування за енергетичним критерієм. Аналіз показав, що при роботі системи за запропонованим алгоритмом, відносне скорочення тривалості пошуку оптимальної величини подачі в порівнянні з кроковою системою для знаходження першого значення екстремуму складає 38%. При подальшій роботі оптимальна швидкість подачі протягом всього часу обробки визначається без випробувальних дій на процес обробки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Водичев В.А., Гулый М.В., Мохамед 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.

2. Водічев В.А., Мохамед М.А. Дослідження системи стабілізації потужності різання металообробного верстата з фази-регулятором // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы: Науч.-техн. журнал. – Херсон: ХГТУ. – 2005. – №2 (16). – С. 134 - 137.

3. Водічев В.А., Мохамед М.А. Дослідження на моделі електромеханічних систем автоматизації металообробних верстатів // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. – Кременчук: КДПУ. – 2006. – Вип. 3 (38). Частина 1. – С. 28 - 30.

4. Водичев В.А., Мохамед М.А. Усовершенствование алгоритма управления электроприводом подачи станка в системе оптимизации процесса металлообработки // Електромашинобудування та електрообладнання: Міжвід. наук.-техн. збірник. – К.: Техніка. – 2006. – Вип. 66. – С. 130 – 131.

5. Водичев В.А., Мохамед М.А. Электромеханическая система оптимизации технологического процесса металлообработки // Збірник наукових праць Дніпродзержинського технічного університету (технічні науки). Тематичний випуск “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” - Дніпродзержинськ: ДГТУ. – 2007. – С. 220-221.

6. Водичев В.А., Мохамед М.А. Система автоматизации технологического процесса металлообработки с фаззи - регулятором // Современные информационные и электронные технологии: Труды седьмой международной научно-практической конференции. – Одесса. – 2006. – С. 86.

7. Мохамед М.А., Водичев В.А. Разработка нечеткой модели регулятора для системы автоматизации технологического процесса на языке FLC // Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій: Тези доповідей Міжнародної науково-практичної конференції / Під заг. ред. Д.М. Пізи. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. – С. 171 – 173.

Мусааб Мохамед Ахмед Алі. Удосконалення автоматизованих систем керування технологічними процесами металообробки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – Автоматизація процесів керування. – Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2008.

Дисертація присвячена актуальному завданню підвищення ефективності технологічних процесів металообробки шляхом удосконалення автоматизованих систем керування робочими рухами металорізальних верстатів для лезової та абразивної обробки, що забезпечують зменшення енергоспоживання та підвищення продуктивності верстатів.

На основі нечіткого регулятора розроблена система керування робочими рухами при фрезеруванні, що забезпечує в умовах нестаціонарності об'єкта управління при зміні коефіцієнта підсилення і сталої часу стабілізацію силового параметра з високою точністю і збільшення продуктивності верстатів без збільшення витрат енергії на виконання технологічного процесу.

Отримала подальший розвиток ідентифікація технологічних процесів фрезерної обробки. Уточнена математична модель технологічного процесу обробки фрезеруванням, як динамічної ланки системи автоматичного керування, при цьому встановлено, що стала часу процесу обробки залежить не тільки від частоти обертання інструменту, але й від швидкості подачі і глибини різання.

Запропоновано аналітичний метод розрахунку значення швидкості подачі, відповідного екстремуму цільової функції при оптимізації процесу абразивної обробки на верстатах для силового шліфування по енергетичному показнику ефективності, що дозволяє скоротити час визначення оптимального режиму обробки за рахунок застосування безпошукової системи керування.

Ключові слова: автоматизована система керування, технологічний процес металообробки, швидкість подачі, стабілізація, нечіткий регулятор, оптимізація.

Мусааб Мохамед Ахмед Али. Усовершенствование автоматизированных систем управления технологическими процессами металлообработки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – Автоматизация процессов управления. – Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2008.

Диссертация посвящена актуальной задаче повышения эффективности технологических процессов металлообработки путем усовершенствования автоматизированных систем управления рабочими движениями металлорежущих станков для лезвийной и абразивной обработки, обеспечивающих уменьшение энергопотребления и повышение производительности станков.

Проведен анализ существующих систем управления технологическими процессами металлообработки, которые обеспечивают повышение их производительности, точности, снижение энергопотребления. Определены их недостатки и направления усовершенствования.

Разработаны основные теоретические положения по усовершенствованию систем управления процессами фрезерования и силового шлифования.

Для управления технологическим процессом фрезерования на базе методов теории нечетких множеств разработан нечеткий регулятор, позволяющий стабилизировать мощность резания и подачу на заданном уровне при взаимосвязанном управлении скоростью подачи и скоростью главного движения станка. Показано, что при стабилизации мощности фрезерования с управлением только электроприводом подачи относительное сокращение продолжительности обработки в сравнении с обработкой при постоянных скоростях рабочих движений составляет 11,3%, при этом, относительное увеличение потребляемой энергии составляет 8,9%. Применение системы стабилизации мощности фрезерования с управлением скоростью электроприводов подачи и главного движения с поддержанием заданного значения подачи при таких же затратах энергии, как и при обработке с постоянными скоростями рабочих движений, обеспечивает относительное сокращение продолжительности обработки на 19%.

Для процесса силового шлифования предложен метод расчета значения скорости вертикальной подачи, соответствующего экстремуму показателя энергетической эффективности на основе информации о текущем значении скорости износа шлифовального круга, что позволяет реализовать беспоисковую систему оптимизации технологического процесса силового шлифования на станках с круглым столом и вертикальным шпинделем.

На основе проведенных на фрезерном стенке экспериментальных исследований уточнена математическая модель процесса фрезерования как объекта управления автоматизированной системы. Установлено, что передаточная функция процесса фрезерования как динамического звена автоматизированной системы управления соответствует апериодическому звену второго порядка с одинаковыми постоянными времени. На основе проведенного экспериментального исследования установлено влияние на значение постоянной времени глубины резания, частоты вращения инструмента и скорости подачи. Получено математическое выражение для описания зависимости постоянной времени от параметров процесса обработки.

Проведено исследование систем управления технологическими процессами фрезерования и силового шлифования на математических моделях. Моделирование системы управления процессом фрезерования с разработанным нечетким регулятором при стабилизации мощности резания и подачи показало, что система в условиях изменения коэффициента усиления и постоянной времени процесса обработки обеспечивает высокое качество переходных процессов и стабилизирует выходную координату без ошибки в установившемся режиме.

Промоделирована работа беспоисковой системы оптимизации технологического процесса силового шлифования по энергетическому критерию. Анализ показал, что при работе системы по предложенному алгоритму, относительное сокращение продолжительности поиска скорости подачи, соответствующей экстремуму целевой функции, по сравнению с шаговой системой составляет 38%.

Результаты работы внедрены при проектировании систем управления металлорежущими станками в Одесском СКБ специальных станков, а также используются в учебном процессе Одесского национального политехнического университета в курсах лекций по дисциплинам “Автоматизация процессов металлообработки” и “Диагностика и дефектоскопия материалов и изделий” и курсовом проектировании.

Ключевые слова: автоматизированная система управления, технологический процесс металлообработки, скорость подачи, стабилизация, нечеткий регулятор, оптимизация.

Musaab Mohamed Ahmed Ali. Improvement of automated control systems of technological processes of metal-working. Manuscript.

Dissertation for obtaining ph.D degree on specialty 05.13.07 - automation of processes control. - Odessa national polytechnic university, Odessa, 2008.

This dissertation is devoted actual task about increasing efficiency of technological processes of metal-working by improvement of automated control system of metal-cutting machine motion for milling and grinding machines, providing minimization of energy consumption and increasing of productivity of machine-tools.

On basis of the fuzzy logic theory developed control system of milling machine working movements, which provides in the unstationarity conditions of control object at the change of amplification factor and time constant stabilizing of the cutting power parameter with high exactness and increase of the productivity of machine-tools without the increase of charges of energy on implementation of technological process.

Identification of milling process get further development. The mathematical model of milling process has been specified, as a dynamic link of the system of automatic control, it is here set that time constant of milling process depends not only on rotation speed of instrument but also from feed speed and cutting depth.

The analytical method of calculation of value of speed, proper a extremum of objective function during optimization of process of abrasive metal working on machine-tools for the power grinding on the power index of efficiency is offered, allowing to shorten time of determination of the optimum mode of metal cutting due to application of without search control system.

Keywords: the automated control system, technological process of metal cutting, feed speed, stabilization, fuzzy-regulator, optimization.