Повышение эффективности автоматизированной токарной обработки деталей путем оптимизации режимов работы электропривода

Актуальность темы

определяется необходимостью повышения эффективности процесса обработки деталей газотурбинных двигателей (ГТД) за счет оптимизации режимов работы электропривода, обеспечивающего заданные режимы резания.

Благодаря регулированию скорости [1] повышается производительность и качество технологических процессов.

Работа деталей ГТД (дисков турбин, компрессоров, валов, роторов и т. д.) происходит в жестких условиях одновременного и длительного воздействия высоких температур и удельных силовых нагрузок, поэтому к их изготовлению предъявляются высокие требования как по точности, так и по качеству обработки поверхностей. Используемые для изготовления этих деталей материалы, как правило, обладают пониженной обрабатываемостью, а механическая обработка содержит значительный вес токарных операций.

Режимы резания [2] оказывают самое непосредственное влияние на качество, производительность, стоимость обработки и на, характеристики точности получаемых деталей. Лучшее качество обработки повышает длительную и усталостную прочность ответственных деталей, увеличивая тем самым моторесурс изделия.

К характеристикам приводов основных движений станка предъявляют повышенные требования, вытекающие из природы замкнутого контура управления процессом резания, когда частные свойства элементов системы должны быть подчинены итоговому качеству управления.

В настоящее время, благодаря большим достижениям в силовой электронике, стало возможным создание САУ ТП металлообработки, с использованием электроприводов (ЭП) переменного тока, с высокими техническими характеристиками.

Использование асинхронного двигателя (АД), с короткозамкнутым ротором в САУ ТП металлообработки целесообразно благодаря его надежности и отсутствию щеточно-коллекторного узла, требующего обслуживания [3−4].

Частотное регулирование с энергетической точки зрения самое предпочтительное, а разработка преобразователей частоты (ПЧ) с высоким качеством выходного напряжения для частотно-регулируемого ЭП является актуальной задачей. В настоящее время ПЧ чаще всего строятся по схеме с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Основным недостатком таких ПЧ является высокий уровень потерь энергии. Кроме того, в ПЧ с ШИМ, поступающие на обмотку АД импульсы прямоугольной формы способны вызвать в ней волновые процессы [5], которые наиболее опасны для изоляции обмотки АД из-за возникновения значительных перенапряжений.

Адаптивные системы оптимального регулирования, обладающие способностью достигать высокого качества управления при отсутствии достаточной полноты информации о характере управляемого процесса или в условиях неопределенности, имеют сложную техническую реализацию.

Системы предельного регулирования со структурой обыкновенных САУ осуществляют оптимизацию на заданном уровне параметра регулирования посредством изменения режимов резания. Затраты на реализацию таких САУ составляют около 20% затрат на адаптивные системы оптимального регулирования. Обыкновенные САУ решают задачи регулирования параметров процессов, поэтому применяются в качестве систем стабилизации, систем программного регулирования и следящих систем. Стабилизация параметров осуществляется за счет плавного изменения частоты вращения шпинделя станка по командам автоматического регулятора режима резания.

Для обеспечения заданного режима токарной обработки, разработана система автоматического регулирования (САР) скоростью АД, использующая в своем составе, в качестве формирователя управляющего воздействия, цифровой преобразователь переменного напряжения (ЦППН).

ЦППН представляет собой устройство, принцип действия которого основан на изменении под действием управляющего сигнала коэффициента передачи регулируемого элемента дискретного действия (РЭДД), осуществляющего программное изменение уровня входного напряжения.

ЦППН обладают многофункциональностью, позволяют обеспечить преобразование частоты и реализовать на одной структуре сложные алгоритмы управления [6−32]. Но неоптимизированные ЦППН имеют недостаточно высокое качество выходного напряжения.

СПИСОК СОКРАЩЕННЫХ ТЕРМИНОВ АД — асинхронный двигатель.

АД с КЗ ротором — АД с короткозамкнутым ротором.

АДН — аналоговый делитель напряжения.

АЦП — аналого-цифровой преобразователь.

БПФ — быстрое преобразование Фурье.

ГТИ — генератор тактовых импульсов.

ГУН — генератор управляемый напряжением.

ДП — датчик положения.

ДПТ — двигатель постоянного тока.

ДРТ — дискретно-регулируемый трансформатор

КЭ — ключевой элемент.

МП — микропроцессор

МПУ — многопороговое устройство.

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.

0)ОС — (отрицательная) обратная связь.

ПЗУ — постоянное запоминающее устройство.

ПКЭ — показатель качества электроэнергии.

ПОС — Пакет Обработки Сигналов.

ПЧ — преобразователь частоты.

П)ЦАП — (перемножающий) цифро-аналоговый преобразователь.

РЭДД — регулирующий элемент дискретного действия.

САУ (Р) — система автоматического управления (регулирования).

СКО — среднеквадратическое отклонение.

ТКРО — трансформаторно-ключевой регулирующий орган.

ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты.

ФНЧ — фильтр низкой частоты.

ЦДН — цифровой делитель напряжения.

ЦППН — цифровой преобразователь переменного напряжения.

Ц)РЭ — (цифровой) регулирующий элемент.

ЧПУ — числовое программное управление.

Ч)ФД — (частотно-) фазовый детектор

ШИМ — широтно-импульсная модуляция.

ШИП (Р) — широтно-импульсный преобразователь (регулятор) ЭД — электродвигатель ЭДС — электродвижущая сила ЭП — электропривод.

Выводы по разделу 5.

1. Разработаны схемы формирователей управляющего воздействия с различной формой представления информации, в том числе цифровой формирователь управляющего воздействия с ключевой схемой управления фазными напряжениями АД для использования в системе автоматического регулирования скоростью АД (диапазон частот: 0.01−183 Гц с дискретностью регулирования частоты 0.01 Гц).

2. Для станков с ЧПУ, оснащенных ЭВМ, предложен следующий вариант реализации формирователя управляющего воздействия: использование ЭВМ, входящей в состав оборудования станка. При этом обеспечивается более полная загрузка вычислительных средств.

При наличии специальной программы и переходной платы для согласования с РЭДД, ЭВМ может осуществлять оптимальное управление моментами переключения силовых КЭ, а также обеспечить слежение за параметрами напряжения.

3. Исследованы погрешности преобразования следящего ЦППН вычислительного типа, в непрерывном и автоматическом режимах при синхронных и несинхронных генераторах и установлено, что автоматический режим по точности преобразования лучше непрерывного и может рассматриваться как случай режимной оптимизации.

4. На основании исследования точности преобразования ЦППН в различных режимах установлено, что точность преобразования ЦППН с ЦДН лучше, чем у ЦППН с АДН. А из схем, использующих систему ФАПЧ — лучше схема с частотно-фазовым детектором.

5. Оценен выигрыш от оптимизации по критерию минимума СКО и установлено, что оптимизация способствует снижению требований к параметрам используемого фильтра. Коэффициент гармоник после фильтрации оптимизированного сигнала ФНЧ 2 порядка приблизительно равен коэффициенту гармоник неоптимизированного сигнала, отфильтрованного ФНЧ 4 порядка. То есть, предварительная оптимизация перед фильтрацией способствует удешевлению и упрощению используемого фильтра (снижению требований к его параметрам и стоимости).

6. Подсчитаны электрические потери ЦППН с различным управлением и в различных режимах работы и установлено, что электрические потери всех рассмотренных ЦППН много меньше, чем у ПЧ со ступенчатой формой выходного напряжения. Следовательно, ЦППН более экономичны с точки зрения энергосбережения. Причем, у ЦППН с формой напряжения наиболее близкой к синусоиде — наименьшие потери.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Повышение эффективности процесса получистовой или чистовой обработки деталей из жаропрочных материалов, на заключительных проходах, когда формируется качество поверхности и особенно высока стоимость брака, достигается реализацией автоматического регулирования режима резания по цепи привода главного движения металлорежущего станка. Наибольшая эффективность обработки достигается соответствующими режимами резания.

Проведенные исследования позволили повысить эффективность автоматизированной обработки деталей, а именно:

— экономичность системы: энергосбережение достигнуто путем снижения электрических потерь, за счет оптимизации ЦППН, в среднем на 5% (при этом улучшается и тепловой режим АД);

— производительность достигается за счет изменения скорости резания и дополнительных функциональных возможностей ЦППН.

Применительно к приводу подачи, в результате оптимизации ЦППН, повышается качество обработки деталей за счет улучшения равномерности вращения шпинделя.

На основании анализа состояния, проблем, тенденций и перспектив развития регулируемых ЭП в технологических процессах металлообработки установлено, что построение систем автоматического регулирования скоростью АД является актуальной задачей энергосбережения, а использование оптимизированных по точности преобразования ЦППН в качестве формирователя управляющего воздействия в технологических операциях металлообработки раскрывает широкие возможности.

В качестве меры точности преобразования и критерия исследования предложено использовать относительное среднеквадратическое отклонение (СКО), поскольку наилучшее приближение формируемого напряжения к синусоидальному является одним из требований, предъявляемых к системе регулирования преобразователя. При улучшении качества выходного напряжения одновременно улучшаются многие показатели системы, в том числе энергетические, регулировочные.

Разработана универсальная модель для исследования и оптимизации формирователей управляющего воздействия. Выведены соотношения, соответствующие условию наилучшего приближения к оптимальному варианту, универсальные формулы для подсчета СКО ЦППН, работающих в режиме преобразования частоты с любой кратностью преобразования, а также формулы для определения границ интервалов в зависимости от заданных на них погрешностей для ЦППН, работающих в режиме преобразования формы сигнала.

Разработана модель объекта регулирования. Проверена работа АД при статорных напряжениях различной формы и установлено, что при приближении формы питающего напряжения АД к прямоугольной происходит рост электрических потерь, а также увеличивается нестабильность скорости вращения (это же отражено и в многочисленных публикациях, что свидетельствует о достоверности разработанной модели в пределах принятых допущений).

Определены количественно (в %) погрешности преобразования различных режимов ЦППН. Исследованы точностные характеристики ЦППН от характера функции преобразования, числа интервалов дискретизации, а также при воздействии дестабилизирующих факторов. Исследовано влияние нестабильности амплитуды, начальной фазы и частоты на точность преобразования и выведены формулы для определения этого влияния. Рассмотрено влияние погрешности дискретизации и квантования с фиксированной погрешностью на точность преобразования ЦППН. Выявлены интервалы периода преобразования наиболее и наименее подверженные влиянию этих погрешностей. Выяснено, что для оптимизации могут подойти рекуррентные алгоритмы последовательного улучшения.

Исследовано каскадное соединение умножителей частоты. Сумма СКО при таком соединении ЦППН не превышает СКО одного умножителя с той же кратностью преобразования.

Рассмотрен синтез выходного напряжения ЦППН из трех фаз входного и установлено, что он более результативен в режиме деления частоты, чем в режиме умножения. Сформулированы правила разбиения на интервалы при синтезе выходного напряжения из трех фаз входного с учетом угла наклона между напряжениями, знака и изменения коэффициента передачи.

Разработаны и проверены при оптимизации несколько итерационных алгоритмов последовательного улучшения и выбран из них самый результативный — метод последовательного приближения с дроблением шага поиска, поскольку он позволяет добиться хороших результатов уже при малом числе интервалов дискретизации (число интервалов определяет число ключей в схемной реализации). Выигрыш от оптимизации по данному методу по сравнению с равномерным распределением по времени для рассмотренных режимов работы ЦППН, составляет порядка 27 — 75%.

Исследована эффективность критериев оптимизации ЦППН (относительное СКО характеризует точностные характеристики ЦППН в удобной форме, но для принятия решения при оптимизации, критерий оптимизации может иметь более простую форму). Предложена оптимизация по более простому критерию. Выработаны рекомендации по улучшению формы выходных напряжений ЦППН.

В схемах, где в качестве преобразователей кодов используются ПЗУ, для осуществления оптимизации не требуется дополнительных схемных затрат (простота реализации результатов оптимизации).

При широком использовании программно-аппаратного комплекса ПОС экспериментально определены погрешности преобразования ЦППН с различным управлением (разрабатывались схемы, проверялась их точность преобразования). Экспериментально исследовано влияние нестабильности фазы на точность преобразования ЦППН. Исследована зависимость коэффициента нелинейных искажений от кратности преобразования ЦППН.

Разработаны схемы формирователей управляющего воздействия с различной формой представления информации (с аналоговым делителем напряжения, цифровым делителем напряжения) и с использованием системы фазовой автоподстройки частоты, а также цифровой формирователь управляющего воздействия с ключевой схемой управления фазными напряжениями АД для использования в системе автоматического регулирования скоростью АД.

Установлено, что точность преобразователя частоты с ЦДН лучше, чем у преобразователя с АДН, а у преобразователей частоты с ФАПЧ — схема с частотно — фазовым детектором.

Предложен ряд способов улучшения формы выходного напряжения (так, использование разработанного устройства позволяет приблизительно на порядок снизить коэффициент гармоник ЦППН, работающего в режиме деления частоты).

Исследованы погрешности преобразования следящего преобразователя формы сигнала вычислительного типа, в непрерывном и автоматическом режимах при синхронных и несинхронных генераторах и установлено, что автоматический режим по точности преобразования лучше непрерывного и может рассматриваться как случай режимной оптимизации.

Оценен выигрыш от оптимизации по критерию минимума СКО и установлено, что оптимизация способствует снижению требований к параметрам используемого фильтра. То есть, введя оптимизацию можно уменьшить порядок фильтра (для достижения одного и того же коэффициента гармоник вместо фильтра 4 порядка использовать фильтр 2 порядка).

По результатам спектрального анализа выходных напряжений ЦППН с различным управлением определены электрические потери в различных режимах его работы. Спектральный анализ проводился в системе ПОС с помощью алгоритма БПФ. Для подсчета электрических потерь использовались соотношения, выведенные на основании Т-образной схемы замещения АД. При этом установлено, что электрические потери во всех рассмотренных режимах работы ЦППН много меньше (наименьшие из рассмотренных у удвоителя частоты с ЦДН), чем у ПЧ с прямоугольно-ступенчатой формой выходного напряжения. Следовательно, разработанные формирователи управляющего воздействия более экономичны с точки зрения энергосбережения, а ЦППН с наилучшим приближением формы выходного напряжения к синусоидальнойимеет наименьшие электрические потери.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что использование оптимизированных по точности преобразования ЦППН в системе автоматического регулирования скоростью АД, в качестве формирователя управляющего воздействия, улучшает характеристики системы регулирования.

Обоснована возможность реализации разработанных формирователей управляющего воздействия с улушенными характеристиками в автоматизированных производственных системах, выработаны рекомендации по их применению, проанализированы достоинства, недостатки и область применения ЦППН с силовыми ключами, работающих на постоянном и переменном токе, дана им характеристика и предложено несколько вариантов их реализации.

Анализ многочисленных публикаций показывает, что ПЧ, как отечественного, так и зарубежного производства, за редким исключением, разрабатываются как универсальные устройства, находящие.

152 применение в различных областях техники, поэтому разработанные устройства могут найти более широкое применение, чем только в технологических операциях токарной обработки. Улучшение энергетических показателей и регулировочных характеристик системы автоматического регулирования также является актуальной задачей для различных технических приложений с использованием САР скоростью вращения АД.

Разработан измеритель параметров вибраций с помощью которого можно измерять вибрации, возникающие при неравномерном ходе резцедержателя, а также для вибродиагностики АД.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «РКБМ» (0.3. ОАО «РМ») в виде:

— преобразователя частоты;

— электронного блока измерителя динамических характеристик.

Кроме того, внедрены разработанные в ходе эксперимента устройства на основе ЦППН, а также прикладные программы для анализа систем с использованием ЦППН и АД в учебном процессе в РГАТА.

Проведенные исследования позволили улучшить характеристики системы и, тем самым, повысить эффективность процесса автоматизированной обработки деталей ГТД. Наибольший экономический эффект может быть получен для энергоемких и продолжительных технологических операций токарной обработки, а также операций, предъявляющих повышенные требования к равномерности вращения шпинделя на малых скоростях.