Анотація до роботи:

Водічев В.А. Автоматизовані системи управління робочими рухами верстатів для підвищення ефективності технологічних процесів металообробки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів. – Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2004.

Дисертацію присвячено вирішенню науково-прикладної проблеми обґрунтування методів управління та розробки принципів побудови автоматизованих систем управління робочими рухами верстатів, які забезпечують підвищення продуктивності, економічної і енергетичної ефективності технологічних процесів металообробки. Для оптимізації процесу силового шліфування розроблено метод управління рухом подачі верстатів, який передбачає визначення складових аналітичних залежностей періоду стійкості інструмента і потужності різання від швидкості подачі і визначення з використанням математичної моделі значення цієї швидкості, яке відповідає екстремуму критерію оптимізації. Розроблені принципи побудови адаптивних систем стабілізації потужності різання при фрезеруванні і стабілізації швидкості і потужності різання при точінні з взаємозв’язаним управлінням швидкостями робочих рухів верстатів, а також системи для підтримки потужності різання в заданих межах при управлінні швидкістю подачі. Запропоновані методи і спостережні пристрої для обчислення коефіцієнта передачі процесу обробки. Розроблені методи розрахунку параметрів регуляторів для систем стабілізації потужності і швидкості різання. Дослідження розроблених систем виконано на математичних моделях і свердлильно-фрезерному верстаті.

В результаті виконання дисертаційної роботи вирішена науково-прикладна проблема обґрунтування методів управління та розробки принципів побудови і методів розрахунків автоматизованих систем управління робочими рухами верстатів, які забезпечують підвищення продуктивності, економічної і енергетичної ефективності технологічних процесів металообробки.

Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволили отримати наступні результати.

1. Проведений розрахунок і аналіз залежностей показників, які характеризують продуктивність, собівартість і питоме енергоспоживання технологічних процесів металообробки, від швидкостей робочих рухів верстатів шліфувальної, фрезерної і токарної груп, дозволив сформулювати принципи управління процесами обробки на цих верстатах з метою підвищення їх ефективності.

2. Для вирішення задачі багатокритеріальної оптимізації технологічних процесів металообробки запропоновано узагальнений критерій, який, крім продуктивності і собівартості, враховує також і питоме енергоспоживання верстата, і доведено, що залежність цього критерію від швидкості подачі при силовому шліфуванні має екстремальний характер, а розташування екстремуму цієї залежності змінюється під впливом збурень.

3. Для оптимізації технологічного процесу силового шліфування за узагальненим критерієм в умовах невизначеності розташування його екстремуму відносно швидкості подачі до початку процесу обробки розроблено метод управління робочим рухом верстата. Він передбачає визначення складових аналітичних залежностей періоду стійкості інструмента і потужності різання від швидкості подачі на основі випробувальних дій на процес обробки шляхом зміни цієї швидкості і визначення з використанням математичної моделі значення швидкості, що відповідає екстремуму критерію оптимізації процесу обробки. Застосування цього методу дозволяє в півтора рази скоротити тривалість пошуку екстремуму показника ефективності і підвищити точність його підтримки у порівнянні з методами крокового пошуку. Для реалізації розробленого методу оптимального управління під час обробки на верстатах з круглим столом і вертикальним шпинделем запропоновано алгоритм управління рухом подачі, який реалізується пристроєм ЧПУ на базі комп’ютера.

4. Показано, що системою стабілізації потужності обробки при взаємозв’язаному управлінні частотою обертання фрези і швидкістю подачі може бути забезпечено виконання технологічного процесу обробки фрезеруванням у режимі, який відповідає максимально можливим значенням показників продуктивності, економічної і енергетичної ефективності в області обмежень за максимально припустимими значеннями подачі, номінальною потужністю двигуна головного руху і бажаною величиною періоду стійкості інструмента. Виконано структурний синтез адаптивних систем з параметричним зворотним зв’язком і взаємозв’язаним управлінням швидкістю подачі і частотою обертання фрези для стабілізації потужності фрезерування. Для цих систем запропоновані методи обчислення коефіцієнта передачі процесу обробки для організації параметричного зворотного зв’язку і узгодження швидкості подачі і частоти обертання фрези. Кількісні показники зростання ефективності процесу фрезерування у порівнянні з застосуванням систем з управлінням тільки швидкістю подачі є різними і залежать від оброблюваного матеріалу, інструмента і потужності електропривода головного руху верстата.

5. Розроблено принцип побудови системи управління швидкістю подачі верстатів з ЧПУ для підтримки потужності технологічного процесу фрезерування у заданих межах і сформульовані умови стійкості такої системи. Розроблено аналого-цифровий регулятор для верстата з ЧПУ, який дозволяє підтримувати потужність обробки у заданих межах в умовах наявності періодичної складової потужності, що обумовлена биттям фрези. За результатами експериментів на верстаті моделі 2550 ОС1000МФ4 встановлено, що скорочення часу обробки фрезеруванням з використанням розробленого аналого-цифрового регулятора у порівнянні з обробкою з постійною швидкістю подачі складає 28 %.

6. Для статичних систем стабілізації потужності обробки з управлінням швидкістю подачі удосконалено метод синтезу параметрів регуляторів і розрахунку статичних характеристик цих систем з урахуванням нелінійності об’єкта управління. Це дозволяє більш точно спрогнозувати статичну похибку системи в передбачуваних умовах обробки у порівнянні з відомим методом розрахунку, при застосуванні якого фактична статична похибка на 30% перевищує очікувану. Запропоновані прості пристрої корекції забезпечують отримання задовільних динамічних характеристик систем при фрезеруванні і свердлінні на легких верстатах з нешироким діапазоном зміни збурень.

7. Запропоновано метод управління і розроблено систему взаємозв’язаного управління швидкостями робочих рухів, у якій стабілізація швидкості різання забезпечується за рахунок управління частотою обертання заготівки, а потужності різання – шляхом управління швидкістю подачі. Вони забезпечують виконання технологічного процесу обробки поверхонь точінням в умовах зміни діаметра і глибини різання при більших значеннях показника продуктивності, а на окремих ділянках заготівки - і показника енергетичної ефективності у порівнянні з системою стабілізації швидкості різання і подачі. Сформульовано умови стійкості кола регулювання потужності різання системи.

8. Показано, що технологічні процеси обробки торцевих поверхонь точінням і шліфуванням з постійною глибиною різання при стабілізації швидкості різання і подачі відбуваються при постійних значеннях показників ефективності, у той час як при обробці з постійними швидкостями робочих рухів показники ефективності погіршуються при зменшенні діаметра обробки. Запропонована система з параметричним зворотним зв’язком забезпечує підтримку швидкості різання без похибки. Для систем стабілізації швидкості різання з регулюванням за відхиленням вихідної координати і за збуренням розроблені методи синтезу параметрів регуляторів і розрахунку статичних характеристик, які дають можливість настроювати систему для забезпечення заданої точності підтримки швидкості різання і прогнозувати статичну похибку системи в передбачуваних умовах обробки.

9. Розроблені швидкодіючі датчики для контролю поточного навантаження двигунів головного руху верстатів необхідні для забезпечення високої якості перехідних процесів, що виникають під дією збурень у автоматизованих системах стабілізації потужності різання.

10. Розроблені комп’ютерні програми і моделі дають можливість оперативно виконувати оцінку підвищення ефективності обробки і якості регулювання перед застосуванням систем управління на верстатах різних груп і типів.

11. Результати дисертаційної роботи впроваджені у проектних організаціях верстатобудівного профілю і у навчальному процесі.

Публікації автора:

1. Браницкий Р., Водичев В.А. Автоматизированные системы управления электроприводами металлорежущих станков. – Zielona Gora: Wydawnictwo Wyzszey Szcoly Inzynierskiej, 1994. – 158 c.

2. Браницкий Р., Водичев В.А., Шапарев Н.К. Электрооборудование станков и автоматизация металлообработки. – Zielona Gora: Wydawnictwo Wyzszey Szcoly Inzynierskiej, 1996. – 239 c.

3. Водичев В.А. Автоматизированная система управления электроприводом подачи плоскошлифовального станка // Электромашиностроение и электрооборудование: Респ. межвед. науч.-техн. сборник. – К.: Техника. – 1989. – Вып. 43. – С. 24-29.

4. Водичев В.А. Автоматизированный электропривод сверлильного станка с технологической обратной связью // Электромашиностроение и электрооборудование: Респ. межвед. науч.-техн. сборник. – К.: Техника. – 1990. – Вып. 44. – С. 50-53.

5. Водичев В.А., Пешинский Ю.С., Шапарев Н.К. Быстродействующий измерительный преобразователь активной мощности для цепей синусоидального тока // Известия вузов. Электромеханика. – 1990. – №11. – С. 62-64.

6. Водичев В.А. Система управления электроприводом металлорежущего станка для стабилизации скорости резания // Електромашинобудування та електрообладнання: Міжвід. наук.-техн. збірник. – К.: Техніка. – 2000. – Вип. 55. – С. 25-29.

7. Водічев В.А. Нелінійна система управління рухом подачі верстата для підвищення продуктивності металообробки // Електромашинобудування та електрообладнання: Міжвід. наук.-техн. збірник. – К.: Техніка. – 2001. – Вип. 57. – С. 20-25.

8. Водічев В.А. Адаптивна система управління процесом металообробки з параметричним зворотним зв'язком // Труды Одесского политехнического университета. – Одесса, 2001. – Вып. 4 (16). – С. 150-153.

9. Водічев В.А. Адаптивна система з моделлю для управління процесом металообробки // Труды Одесского политехнического университета. – Одесса. – 2002. – Вып. 1 (17). – С. 127-130.

10. Водічев В.А. Синтез і дослідження статичної системи стабілізації потужності різання металообробного верстата // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы: Международный науч.-техн. журнал. – Херсон: ХГТУ. – 2002. – №1 (10). – С. 104-110.

11. Водічев В.А. Адаптивна система зі зворотною моделлю для управління технологічним процесом металообробки // Електромашинобудування та електрообладнання: Міжвід. наук.-техн. збірник. – К.: Техніка. – 2002. – Вип. 59. – С. 16-21.

12. Водічев В.А. Порівняльний аналіз систем стабілізації швидкості різання металообробних верстатів // Труды Одесского политехнического университета. – Одесса. – 2002. – Вып. 2 (18). – С. 136-140.

13. Водічев В.А. Розрахунок статичних характеристик системи стабілізації з урахуванням нелінійності об’єкта управління // Збірник наукових праць. Одеський інститут сухопутних військ. – Одеса: ОІСВ. – 2002. – Вип. 7. – С. 104 - 107.

14. Водічев В.А. Алгоритм управління електроприводом подачі верстата для оптимізації режиму металообробки // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. – Кременчук: КДПУ. – 2003. – Вип. 2 (19), Т.1. – С. 57- 60.

15. Водічев В.А. Аналіз критеріїв оптимізації технологічного процессу металообробки // Труды Одесского политехнического университета. – Одесса. – 2003. – Вып. 1 (19). – С. 153-156.

16. Водічев В.А. Дослідження системи керування електроприводом металообробного верстата з аналого-цифровим регулятором // Вісник Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут”. Збірник наукових праць. Тематичний випуск. Збірник наукових праць „Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика”. – Харків: НТУ „ХПІ”. – 2003. – № 10. – Т. 1. – С. 180 - 181.

17. Водічев В.А. Керування рухом подачі верстата для оптимізації процесу металообробки // Труды Одесского политехнического университета. – Одесса. – 2003. – Вып. 2 (20). – С. 124-127.

18. Водічев В.А. Методика визначення оптимального режиму металообробки шляхом використання багатокритеріальних показників ефективності // Збірник наукових праць. Одеський інститут сухопутних військ. – Одеса: ОІСВ. – 2003. – Вип. 8. – С. 32-35.

19. Водічев В.А. Аналого-цифровий регулятор режиму металообробки для верстатів з числовим програмним керуванням // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы: Науч.-техн. журнал. – Херсон: ХГТУ. – 2003. – №1 (11). – С. 86-91.

20. 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.

21. Водічев В.А. Система стабілізації потужності різання фрезерного верстата з взаємозв’язаним керуванням швидкостями робочих рухів // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы: Науч.-техн. журнал. – Херсон: ХГТУ. – 2003. – №2 (12). – С. 109 - 114.

22. Водічев В.А. Принцип керування швидкостями робочих рухів фрезерних верстатів для оптимізації режиму обробки// Труды Одесского политехнического университета. – Одесса. – 2004. – Вып. 1 (21). – С. 129-133.

23. Водичев В.А. Сравнительный анализ быстродействия измерительных преобразователей активной мощности переменного тока для систем автоматизации технологических процессов // Электротехника. – 2004. - № 7. – С. 62 - 64 .

24. Водічев В.А. Оцінка ефективності застосування електромеханічних систем автоматичного керування процесом металообробки // Електромашинобудування та електрообладнання: Міжвід. наук.-техн. збірник. – К.: Техніка. – 2004. – Вип. 62. – С. 44 - 48.

25. Водічев В.А. Автоматизована система керування швидкостями робочих рухів токарного верстата для підвищення ефективності обробки торцевих поверхонь // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы: Науч.-техн. журнал. – Херсон: ХГТУ. – 2004. – №1 (13). – С. 173-178.

26. Устройство для адаптивного управления металлорежущим станком: А.с. 1667008 СССР, МКИ G05В 19/407, В23Q 15/12 / В.А. Водичев, Н.К. Шапарев (СССР). – №4650758/24; Заявлено 15.02.89; Опубл. 30.07.91, Бюл. № 28. – 5 с.

27. Устройство для адаптивного управления металлорежущим станком: А.с. 1732330 СССР, МКИ G05В 19/407, В23Q 15/12 / В.А. Водичев, Н.К. Шапарев (СССР). – №4819124/24; Заявлено 24.04.90; Опубл. 07.05.92, Бюл. № 17. – 5 с.

28. Устройство для измерения активной мощности синусоидального тока: А.с. 1638652 СССР, МКИ G01R 21/06 / В.А. Водичев, (СССР). – №4465722/21; Заявлено 26.07.88; Опубл. 30.03.91, Бюл. №12. – 2 с.

29. Измеритель активной мощности: А.с. 1555675 СССР, МКИ G01R 21/06 / В.А. Водичев, Ю.С. Пешинский (СССР). – №4439091/24-21; Заявлено 08.06.88; Опубл. 07.04.90, Бюл. №13. – 2 с.

30. Измерительный преобразователь активной мощности: А.с. 1651221 СССР, МКИ G01R 21/00 / В.А. Водичев, Л.И. Водичева, Ю.С. Пешинский, Н.К. Шапарев (СССР). – №4665714/21; Заявлено 15.02.89; Опубл. 23.05.91, Бюл. №19. – 4 с.

31. Водичев В.А., Пешинский Ю.С. Динамические режимы электроприводов рабочих движений металлорежущего станка с адаптивным управлением // Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов: Тез. докл. V Всесоюзн. науч.-техн. конф. Часть 3. – Каунас. – 1988. – С. 27.

32. Водичев В.А. Управление электроприводом постоянного тока в системе стабилизации технологического параметра // Elektrotechnika i elektronika. 11 Miedzynarodowe Sympozjum Naukowe stydentow i mlodych pracownikow nayki. Zielona Gora. – 1989. – S. 121-125.

33. Шапарев Н.К., Водичев В.А., Асаджиле И.Х. Устройства управления электроприводом подачи металлорежущих станков с технологической обратной связью // Проблемы управления промышленными электромеханическими системами: Тез. докл. Всесоюзн. науч.-техн. совещ. (Ульяновск) – Л. – 1989. – С. 181-182.

34. Водичев В.А., Пешинский Ю.С. Быстродействующие измерительные преобразователи активной мощности // Современные методы и средства быстродействующего преобразования режимных параметров энергосистем: Тез. докл. Всесоюзн науч.-техн. конф. – Челябинск. – 1990. – С. 18-19.

35. Водичев В.А., Пешинский Ю.С., Шапарев Н.К. Управление электроприводами подач многооперационного станка с ЧПУ при стабилизации мощности резания // Электропривод с цифровым и цифроаналоговым управлением: Материалы семин. – Л.: ЛДНТП. – 1991. – С. 8-10.

36. Водичев В.А., Макаров В.В. Измерительный преобразователь активной мощности // Elektrotechnika i elektronika. 13 Miedzynarodowe Sympozjum Naukowe stydentow i mlodych pracownikow nayki. Zielona Gora. –1991. – S. 83-86.

37. Шапарев Н.К., Водичев В.А. Адаптивное управление электроприводами подач металлорежущих станков с ЧПУ. // Тез. докл. XI Всесоюзн. науч-техн. конф. по проблемам автоматизированного электропривода. (Суздаль).– М. – 1991. – С. 89-90.

38. Шапарев Н.К., Водичев В.А. Моделирование адаптивного электропривода фрезерного станка для стабилизации момента резания // Друга Українська конференція з автоматичного керування „Автоматика-95”. Праці. – Т. 3. – Львів: НВЦ „ІТІС”. – 1995. – С. 86-87.

39. Шапарев Н.К., Водичев В.А. Система управления адаптивным электроприводом подачи станка с ЧПУ // В кн. Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Труды конф./ Под общ ред. В.Б. Клепикова, Л.В. Акимова, В.Т. Долбни, А.В. Осичева – Харьков: Основа. – 1995. – С. 152-153.

40. Водічев В.А. Автоматичне управління технологічним процесом металообробки при стабілізації швидкості і потужності різання. // Матеріали Міжнародної конференції з управління „Автоматика-2001”. – Т. 1. – Одеса. – 2001. –– С. 142-143.

41. Водичев В.А. Моделирование системы оптимального управления процессом металлообработки // Моделирование в прикладных научных исследованиях. Материалы Х семинара / Под ред. В.П. Малахова и др. – Одесса: ОНПУ. – 2003. – С. 12 - 13.

42. Водічев В.А. Автоматизовані системи управління робочими рухами верстатів для підвищення ефективності технологічних процесів металообробки // Автоматика-2004: Матеріали 11-ої міжнародної конференції по автоматичному управлінню. – К. – 2004. – Т 2. – С. 9.