автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Экстремальное комбинированное управление процессом электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов

005539222

На правах рукописи /

АВДЕЕВА Ольга Викторовна

ЭКСТРЕМАЛЬНОЕ КОМБИНИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ АЛМАЗНЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

21 НОЯ 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степепи кандидата технических наук

ПЕНЗА 2013

005539222

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент СЕМЕНОВ Анатолий Дмитриевич

СТАРОВЕРОВ Борис Александрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет», профессор кафедры «Автоматика и микропроцессорная техника»;

БЕКРЕНЕВ Николай Валерьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Ю. А. Гагарина», заведующий кафедрой «Техническая механика и детали машин»

Ведущее предприятие -

ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт"» им. М. В. Проценко» (г. Заречный)

Защита диссертации состоится 18 декабря 2013 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан « •/У» 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электроэрозионная обработка широко применяется для изменения размеров металлических изделий сложной конфигурации из твердых сплавов, а также для профилирования алмазных шлифовальных кругов. Основные недостатки электроэрозионной обработки -невысокая производительность (скорость подачи обычно менее 1 мм/мин) и высокое энергопотребление. Использование экстремального регулирования при электроэрозионной обработке позволяет в значительной степени устранить эти недостатки.

Широкое применение экстремального регулирования сдерживается тем, что процесс электроэрозионной обработки носит стохастический характер, особенно это относится к процессу профилирования алмазных кругов. Сложный микрорельеф обрабатываемой поверхности, наличие токо-непроводящих включений, нежелательность графитизации алмазных зерен под действием электрического тока, высокая точность профилирования предъявляют повышенные требования к системе управления процессом электроэрозионной обработки.

Следовательно, управлять данным процессом традиционными методами поиска экстремума затруднительно, поэтому требуется разработка помехозащищенных и высокоточных алгоритмов экстремального регулирования. Особый интерес представляет использование комбинированного экстремального управления, при котором использование внутренней обратной связи позволяет не только повысить точность и быстродействие системы, но и существенно уменьшить уровень действующих на систему возмущений, парируя их в контуре обратной связи.

Цель диссертационной работы - повышение производительности, стабильности и снижение энергопотребления процесса электроэрозионной обработки на основе экстремального комбинированного управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) анализ методов управления технологическим процессом электроэрозионного профилирования и выявление причин, снижающих производительность, стабильность и энергопотребление данного процесса;

2) создание имитационных математических моделей процесса профилирования алмазных шлифовальных кругов, позволяющих получить уточненные характеристики данного процесса;

3) построение обобщенной модели электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов, позволяющих осуществить обоснованный выбор алгоритмов и режимов управления данным процессом для повышения его стабильности, производительности и снижения энергопотребления;

4) разработка помехозащищенного быстродействующего алгоритма поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта,

позволяющего повысить точность ведения технологического процесса в объектах экстремального типа различной инерционности, работающих в условиях сильных помех;

5) синтез и анализ структуры системы экстремального комбинированного управления процессом электроэрозионной обработки, обеспечивающей повышение стабильности, производительности и снижение энергопотребления рассматриваемого технологического процесса;

6) апробация и внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований в производство и учебный процесс.

Объектом исследования является процесс электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов.

Предмет исследования — алгоритмизация и автоматизация управления процессом электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов на основе имитационного и математического моделирования с целью повышения производительности, стабильности и снижения энергопотребления.

Методы исследования. В работе использованы методы современной теории автоматического управления и автоматизации технологических процессов, теории вероятностей и математической статистики, компьютерного моделирования.

Научная новизна.

1. Разработана обобщенная имитационная модель процесса профилирования алмазных шлифовальных кругов, учитывающая его электродинамические и технологические особенности, используемые для обоснованного выбора экстремального алгоритма управления технологическим процессом.

2. Произведено упрощение обобщенной математической модели процесса электроэрозионного профилирования моделью типа Гаммерштейна, которая наиболее эффективна при разработке алгоритма поиска экстремума для достижения максимального значения средней мощности, выделяемой в межэлектродном зазоре.

3. Разработан помехозащищенный быстродействующий алгоритм поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта, позволяющий повысить точность технологических процессов в объектах экстремального типа различной инерционности, работающих в условиях сильных помех.

4. Предложена структура системы экстремального комбинированного управления процессом электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов с местной обратной связью по активному сопротивлению межэлектродного зазора, позволяющая повысить стабильность, производительность и снизить энергопотребление данного технологического процесса.

Практическая ценность исследования заключается в разработке современных научно обоснованных методов и средств управления экстремальными объектами, работающими в условиях сильных возмущений, в частности автоматизированными системами профилирования алмазных кругов, и определяется следующими положениями:

1) разработанные математические модели процесса электроэрозионной обработки позволяют осуществлять поиск оптимальных режимов профилирования, не прибегая к сложным экспериментальным исследованиям;

2) разработанный помехозащищенный быстродействующий алгоритм поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта повышает точность ведения технологических процессов в объектах экстремального типа различной инерционности, работающих в условиях сильных помех;

3) синтезированная экстремальная комбинированная система управления процессом электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов увеличивает производительность, стабильность данного процесса и снижает его энергопотребление;

4) разработанная автоматизированная система управления установкой для электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов существенно повышает его технико-экономические показатели.

На защиту выносятся:

1. Математические модели процесса электроэрозионного профилирования, учитывающие его электродинамические и технологические особенности.

2. Результаты аппроксимации полученных моделей процесса электроэрозионного профилирования моделью типа Гаммерштейна, применяемой для алгоритмизации и управления данным процессом.

3. Помехоустойчивый быстродействующий алгоритм поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта, заключающийся в рекуррентной оценке коэффициента передачи экстремального объекта с последующим поиском его нулевого значения.

4. Структура системы экстремального комбинированного управления процессом электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов, отличающаяся от известных систем введением местной обратной связи по активному сопротивлению межэлектродного зазора.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена путем математического и имитационного моделирования, сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, а также практической реализацией разработанных систем управления.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в производство на ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт"» им. М. В. Про-ценко», что позволило повысить производительность, стабильность и сни-

зить энергопотребление процесса профилирования алмазных шлифовальных кругов.

Разработанные математические модели в виде методик, алгоритмов и программ используются в ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт"» им. М. В. Про-ценко», ОАО «МАЯК», НПФ «КРУГ», ООО «АВТОМАТИКА» при проектировании и испытаниях нового оборудования.

Математические модели, алгоритмы и программы внедрены в учебный процесс на кафедре «Автоматика и телемеханика» Пензенского государственного университета при подготовке бакалавров, магистров по направлению 220400 «Управление в технических системах», инженеров по специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах».

Данная работа поддержана и одобрена:

- аналитической ведомственной целевой программой Федерального агентства по образованию РФ «Развитие научного потенциала высшей школы 2009-2012 гг.» № 01200952070 в соответствии с планами госбюджетной научно-исследовательской работы Пензенского государственного университета;

- конкурсом «Поддержка развития внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в научно-образовательных центрах» по ГК № 14. В 37.21.0160;

- программой «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.) в 2010-2012 гг. от фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Проект № 10199).

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 конференциях различного уровня: Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2009-2013); XXIX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и системы» (Пенза, 2010); Международном симпозиуме «Надежность и качество - 2010» (Пенза, 2010); молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» (Пенза, 2009); ежегодном Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах автоматики, управлении и обработке информации» (Алушта, 2010-2012); XXXIX Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2013); на мероприятии в рамках конкурса «Поддержка развития внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в научно-образовательных центрах» (Санкт-Петербург, 2012); на Всероссийской конференции «Современные

проблемы математики и ее основные аспекты» (Пермь, 2013); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов Пензенского государственного университета (2009-2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и 2 патента РФ (без соавторов 5 работ).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основной части и заключения, списка литературы, включающего 109 наименований, и приложения. Объем работы - 189 страниц машинописного текста, включая 101 рисунок и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы; сформулированы цель и задачи исследования; показаны научная новизна и практическая ценность; приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержатся аналитический обзор и обоснование направления работы, описание процесса электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов и систем управления. Применение электроэрозионной обработки для профилирования алмазных токопрово-дящих кругов является весьма перспективным. Изучению различных вопросов профилирования и правки алмазно-абразивных инструментов электроэрозионным методом посвящены работы В. Д. Дорофеева, Ю. А. Паха-лина, Н. К. Беззубенко, В. Н. Чачина, В. В. Авакяна, В. Л. Касьяна, В. В. Ко-ломиеца, А. Л. Лившица, В. О. Соколова, В. 3. Зверовщикова, М. Ф. Семко, В. А. Дресвянникова, Н. К. Фотеева.

Выявлены основные особенности электроэрозионного профилирования алмазных кругов. Рассмотрение технологии процесса электроэрозионной обработки позволило установить, что определяющим фактором, влияющим на производительность и стабильность данного процесса, является оптимальное поддержание межэлектродного зазора.

Существующие системы управления электроэрозионной обработкой не учитывают ряд важных обстоятельств, особенно сложный микрорельеф обрабатываемой поверхности, наличие токонепроводящих включений, существенную нелинейность объекта управления и т.п. В большинстве из них используются косвенные показатели, которые не в полной мере отражают состояние процесса обработки.

Наиболее информативным показателем процесса электроэрозионной обработки является значение средней мощности, выделяемой в межэлектродном зазоре. Известно, что зависимость величины средней мощности, распределенной в межэлектродном зазоре, от его величины носит экстремальный характер. Поскольку процесс электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов происходит в условиях сильных помех, обусловленных сложным микрорельефом алмазного круга, предло-

жено разработать помехоустойчивый алгоритм поиска экстремального значения мощности, выделяемой в межэлектродном зазоре путем регулирования привода подачи электрода-инструмента.

Существующие системы управления не учитывают все сложные взаимосвязи между отдельными элементами процесса обработки, что приводит к снижению их эффективности и возникновению ряда недостатков: низкая производительность, невысокая стабильность и большое энергопотребление процесса обработки. Данные недостатки не позволяют поддерживать оптимальные условия обработки, при которых происходит наиболее эффективный съем металла.

Поэтому была поставлена задача разработки системы комбинированного экстремального управления с внутренней обратной связью, что позволяет не только повысить точность и быстродействие системы, но и существенно уменьшить уровень действующих на систему возмущений, парируя их в контуре обратной связи.

Во второй главе проведена разработка математических моделей процесса электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов с целью выявления эффективных управляющих воздействий, повышающих производительность данного процесса.

Для выявления структуры геометрии рабочей поверхности алмазного круга была разработана ее модель, для чего проведено сканирование рабочей поверхности, фрагменты профиллограммы которой представлены на рис. 1.

1000 1500 2000 2500 3000

а) 6}

Рис. 1, Профиллограммы режущего профиля алмазных шлифовальных кругов с зернистостью: а - 80/63 мкм; б - 50/40 мкм

Для идентификации рабочих поверхностей алмазных шлифовальных кругов предложено выделять трендовые, периодические и случайные составляющие профилей этой поверхностей. Трендовые и периодические составляющие выделялись с помощью сингулярного разложения (БУБ-разложения). Первые четыре собственных вектора разложения представлены на рис. 2, здесь же показана аппроксимация векторов разложения гармоническими составляющими.

Первая пара гармоник Вторая пара гармоник

Рис. 2. Гармонические составляющие при сингулярном разложении профиллограммы режущего профиля алмазных шлифовальных кругов

Модель случайной составляющей представлена моделью стационарного и эргодического случайного процесса, полученного методом формирующего фильтра. На рис. Ъ,а показан фрагмент смоделированной поверхности алмазного круга, на рис. 3,6 - фрагмент профиля этой поверхности, непосредственно взаимодействующего с профилем электрода-инструмента. В результате моделирования и экспериментальных исследований были получены профили поверхности круга различной зернистости, непосредственно влияющие на значение межэлектродного зазора в процессе электроэрозионной обработки.

а) б)

Рис. 3. Фрагмент модели поверхностей алмазного круга (а) и фрагмент профиля модели алмазного круга (б)

Проверка гипотезы о нормальном законе распределения профиля поверхности по критерию Колмогорова-Смирнова подтвердилась. Аналогичные выводы получены и для профиля электрода.

Разработаны модели электропривода вертикальной подачи профилирующего электрода на основе обобщенной теории электрических машин. Механическая часть привода представлена двухмассовой упруго-диссипа-

тивной моделью. В результате анализа модели установлено, что время разгона электропривода вертикальной подачи электрода составило 0,01 с, а позиционирование привода вертикальной подачи электрода на 425 мкм -0,11с.

Параметры электрической схемы замещения межэлектродного зазора определялись исходя из осциллограмм токов и напряжений, экспериментально снятых при разных значениях межэлектродного зазора с последующей их обработкой с помощью пакета System Identification Tool, входящего в Matlab. В результате этого получены параметры Т-образной схемой замещения, учитывающей полное выходное сопротивление генератора рабочих импульсов и межэлектродного зазора. Система дифференциальных уравнений переходных процессов, протекающих в Т-образной схеме замещения, имеет вид:

+ +UC=U

at

h~-+Ri{z)i2=uc, (1)

at

dt

где L\, R\, 11,U - электрические параметры генератора рабочих импульсов; L2, R2(z), /2, Uс, С — электрические параметры межэлектродного зазора.

В результате исследований выявлена нелинейная зависимость активной составляющей полного сопротивления межэлектродного зазора Ri{z), зависящей от его значения z:

(2)

b-z

где a, b — коэффициенты, зависящие от электрических параметров схемы замещения межэлектродного зазора; z - значение межэлектродного зазора.

Найденные значения параметров схемы замещения позволили получить модель, описывающую электрические процессы в межэлектродном зазоре.

Разработана обобщенная динамическая модель процесса профилирования алмазных шлифовальных кругов, учитывающая его электродинамические и технологические особенности, которая включает в себя три модели:

— топологическую модель, описывающую геометрию поверхности алмазных шлифовальных кругов, построенную на основе сингулярного разложения и метода формирующего фильтра;

- электромеханическую модель, построенную на основе обобщенной теории электрических машин;

- электрическую модель, описывающую электрические процессы в межэлектродном зазоре во время процесса электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов.

Структурная схема динамической модели процесса электроэрозионного профилирования (БтиНпк-модель) представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема динамической БтиНпк-модели процесса электроэрозионного профилирования

Результаты моделирования представлены на рис. 5, где гпр - предельное значение межэлектродного зазора, при котором еще возникает электрический разряд; С/КХ - напряжение холостого хода; /К3 - ток короткого замыкания. Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что Зшгм/шй-модель адекватно отражает реальные электродинамические процессы, происходящие при электроэрозионном профилировании алмазных шлифовальных кругов, ошибка моделирования не превышает 14 %.

Рис. 5. Осциллограммы переменных динамической модели процесса электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов: межэлектродный зазор (а), напряжение (б) и ток (в), выделяемые в межэлектродном зазоре

Исследования, проведенные на разработанной модели, позволили установить:

- увеличение шероховатости алмазного круга приводит к уменьшению экстремального значения мощности, не изменяя положение экстрему-

ма, равного половине предельного зазора, при котором еще возникают разряды (рис. 6,а);

— несогласованность внутреннего активного сопротивления генератора технологических импульсов и активного сопротивления зазора приводит к снижению мощности, выделяемой в зазоре, и снижению экстремума без изменения его величины (рис. 6,6).

Следовательно, для отдачи максимальной мощности в зазор необходимо таким образом выбирать амплитуду разрядных импульсов, чтобы межэлектродный зазор был равен половине его предельного значения (рис. 6,в).

Рис. 6. Смещение экстремальной статической характеристики: характеристика при различных шероховатостях Яа кругов (а); характеристика при различных значениях амплитуды напряжений генератора рабочих импульсов ¡7 (б); совмещенная кривая (е)

Для совмещения экстремумов необходимо увеличивать амплитуду импульсов напряжения генератора рабочих импульсов. Для исследования экстремальной системы управления процессом электроэрозионной обработки разработанная динамическая модель была аппроксимирована редуцированной инерционной моделью с экстремальной характеристикой.

С наибольшей точностью данную модель можно представить моделью типа Гаммерштейна, которая используется при разработке алгоритма поиска экстремума для достижения максимального значения средней мощности, обеспечивающего повышение производительности, стабильности и снижение энергопотребления.

В третьей главе приведены параметрические синтез и анализ функциональных подсистем автоматизации электроэрозионного станка.

С целью повышения производительности процесса электроэрозионной обработки предлагается использовать экстремальный регулятор мощности. Для обоснованного построения системы автоматического регулирования сделан расчет подсистемы подачи электрода-инструмента электроэрозионного станка, обеспечивающей заданную точность и быстродействие.

Методом последовательной коррекции с подчиненным регулированием координат произведена настройка на технический оптимум подсистемы подачи электрода-инструмента. В результате настройки данной подсистемы получили следующие характеристики: время переходного процесса 0,2 с, перерегулирование 1 %, запас по амплитуде с1Ь = 14 дБ, запас по фазе ср = 66,7 рад, степень колебательности 1,08 и степень устойчивости 25,5.

В результате исследований было установлено, что традиционные методы экстремального регулирования в рассматриваемом случае не эффективны, так как процесс электроэрозионной обработки происходит в условиях сильных помех, что приводит к «рысканью» экстремальной системы вплоть до потери устойчивости.

Для обеспечения устойчивости системы предлагается использовать рекуррентный алгоритм метода наименьших квадратов, с помощью которого вычисляется коэффициент передачи экстремального объекта по изменению его входной и выходной величины с последующим поиском нулевого значения этого коэффициента. Алгоритм экстремального регулирования состоит из следующих этапов:

1) считывание входного и выходного сигналов с экстремального объекта;

2) вычисление коэффициентов АРСС-модели по рекуррентному методу наименьших квадратов;

3) вычисление коэффициента передачи объекта;

4) поиск управляющего воздействия, обеспечивающего нулевое значение коэффициента передачи с использованием прямых методов поиска нуля функций.

В результате моделирования работы алгоритма установлено, что он обеспечивает сходящиеся значения оценки коэффициента передачи, устойчиво удерживая объект в окрестности точки экстремума даже при наличии сильных возмущений. Относительная приведенная погрешность в определении коэффициента передачи объекта не превышает 5 %, отклонение системы от точки экстремума не более 24 % при отношении сигнал/шум, близком к единице. Время поиска экстремума соизмеримо со временем переходного процесса объекта регулирования.

При анализе работы экстремальной системы регулирования мощности установлено, что максимум мощности в межэлектродном зазоре будет выделяться в случае, когда активное сопротивление зазора равно внутреннему активному сопротивлению генератора технологических импульсов. Для этого дополнительно введен внутренний контур по активному сопротивлению межэлектродного зазора Я2. Внешний экстремальный контур регулирования обеспечивает поддержание оптимального режима профилирования в случае нестабильности внутреннего сопротивления генератора. Структурная схема системы показана на рис. 7.

Рис. 7. Структурная схема экстремальной стабилизирующей системы с внутренней обратной связью по съему материала'

Выполнен анализ устойчивости внутреннего контура методом £>-раз-биения, в результате чего получены характеристики стабилизирующей системы: величина перерегулирования 8 %, запас по фазе 5,95 рад/с, запас по амплитуде 11,9 дБ.

На рис. 8 приведены сравнительные характеристики экстремальной и экстремальной комбинированной системы управления.

Рис. 8. Фазовые траектории в установившемся состоянии (а) и АЧХ (б) экстремальной - 1 и экстремальной комбинированной - 2 системы

Исследования, проведенные на моделях, показали, что стабильность системы с местной обратной связью по сопротивлению возросла на 18%, точность поддержания экстремума - на 16 %, производительность возросла на 20 %, энергопотребление снизилось на 10 %.

В четвертой главе приведены разработанная система автоматизированного управления электроэрозионным профилированием, а также практические рекомендации по модернизации оборудования.

В крупносерийном и массовом производстве, когда применяется большое количество алмазных шлифовальных кругов, профилирование

алмазного инструмента непосредственно на рабочем месте экономически нецелесообразно. В связи с этим разработана и изготовлена установка для электроэрозионного профилирования на базе токарно-фрезерного станка модели АМ-171.

Для повышения производительности, стабильности и снижения энергопотребления процесса профилирования разработана система автоматизированного управления установкой для электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов, состоящая из микропроцессорного устройства управления приводами подач профилирующего электрода, реализованного на базе микроконтроллера и автоматизированного рабочего места.

Микропроцессорное устройство осуществляет экстремальное регулирование мощности в межэлектродном зазоре и передает данные о технологическом процессе на АРМ, на котором установлены ОРС-сервер и БСАБА-система. Разработан проект-БСАБА в Эа1аКа1е системы управления электроэрозионным станком. Мнемосхема «Пульт управления» представлена на рис. 9.

Рис. 9. Мнемосхема «Пульт управления»

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, которые внедрены в производство на ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт"» им. М. В. Проценко», что позволило повысить производительность, стабильность процесса электроэрозионного профилирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана топологическая модель поверхности алмазного круга с использованием сингулярного разложения и метода формирующего фильтра. Доказано, что профиль этой поверхности имеет нормальный закон распределения и оказывает основное влияние на процессы профилирования. Результаты, полученные при моделировании рабочей поверхности алмазных шлифовальных кругов, показали достаточно хорошее совпадение с расчетными данными, а ошибка моделирования не превысила 10 %.

2. В результате анализа экспериментальных осциллограмм токов и напряжений, возникающих в межэлектродном зазоре, была проведена параметрическая идентификация и предложено остановиться на Т-образной схеме замещения межэлектродного зазора. Ошибка моделирования не превышает 4 %.

3. На основе обобщенной теории электрических машин получена модель электропривода вращения профилирующего электрода, который позволяет определить его статические и динамические характеристики. В результате анализа модели установлено, что время разгона электропривода вертикальной подачи электрода составило 0,01 с.

4. Разработана динамическая модель процесса электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов. В результате моделирования установлено смешение экстремума мощности, обусловленное возникновением нежелательных режимов холостого хода и короткого замыкания. Для отдачи максимальной мощности в зазор необходимо таким образом выбирать амплитуду разрядных импульсов, чтобы межэлектродный зазор был равен половине его предельного значения. Ошибка моделирования не превышает 14 %.

5. Проведена аппроксимация динамической модели процесса электроэрозионной обработки моделью типа Гаммерштейна. Полученная редуцированная модель используется при разработке алгоритма экстремального регулирования с целью повышения производительности данного процесса, ошибка идентификации не превышает 10 % и хорошо описывает динамику процесса электроэрозионного профилирования.

6. Разработан алгоритм поиска экстремума характеристики инерционного объекта по текущим измерениям его входа и выхода с использованием рекуррентной процедуры метода наименьших квадратов, в результате которой оценивается коэффициент передачи объекта, а затем с использованием прямых методов поиска нуля функции находится его нулевое значение.

7. В результате моделирования работы алгоритма установлено, что он обеспечивает сходящиеся значения оценки коэффициента передачи, устойчиво удерживая объект в окрестности точки экстремума даже при наличии сильных возмущений. Относительная приведенная погрешность в определении коэффициента передачи объекта не превышает 5 %, отклонение системы от точки экстремума не более 24 % при отношении сигнал/шум, близком к единице. Время поиска экстремума соизмеримо со временем переходного процесса объекта регулирования.

8. Для повышения быстродействия и помехоустойчивости экстремальной системы управления процессом электроэрозионной обработки предложено использовать экстремальную комбинированную систему с местной обратной связью по активному сопротивлению межэлектродного за-

зора. Исследования, проведенные на моделях, показали, что стабильность системы с местной обратной связью по сопротивлению возросла на 18 %, точность поддержания экстремума - на 16 %, производительность возросла на 20 %, энергопотребление снизилось на 10 %.

9. Разработана система автоматизированного управления электроэрозионным профилированием, повысившая эффективность профилирования, а также предложены практические рекомендации по модернизации оборудования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Авдеева, О. В. Алгоритм экстремального регулирования на основе рекуррентной процедуры метода наименьших квадратов / А. Д. Семенов, О. В. Авдеева, А. С. Нихиткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2012. - № 1.-С. 3-11.

2. Авдеева, О. В. Определение режимов генератора технологических импульсов для элекгроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов / А. Д. Семенов, А. С. Никитами, О. В. Авдеева // Инженерный вестник Дона (электронный журнал). - 2012. - № 2. - URL: http://www.ivdon.ru/magazme/archive /п2у2012/82б

3. Авдеева, О. В. Разработка алгоритма поиска экстремума статистической характеристики инерционного объекта на основе рекуррентной процедуры метода наименьших квадратов / О. В. Авдеева, А. Д. Семенов, Т. Л. Русяева // Современные проблемы науки и образования. -2012. -№ б . - URL: http://www.science-education.ru/106-7574

Патенты РФ

4. Пат. 2471220 Российская Федерация, МПК G 05 В 13/00. Способ поиска экстремума статистической характеристики инерционного объекта / Авдеева О. В. [и др.]; заявитель и патентообладатель Авдеева О. В. - №2011119698/08 ; заявл. 16.05.11 ; опубл. 27.12.12, Бюл. № 36. - 7 с.

5. Пат. 2486037 Российская Федерация, МПК В 05 Н 1/00, В 05 Н 9/00. Способ стабилизации межэлектродного промежутка при электроэрозионном профилировании шлифовальных кругов с помощью автоматического регулятора подачи электрода / Авдеева О. В. [и др.]; заявитель и патентообладатель Никиткин А. С. - № 2011136674/02 ; заявл. 16.05.11; опубл. 27.06.13, Бюл. № 18.-6 с.

Публикации в других изданиях

6. Авдеева, О. В. Экспериментальное определение параметров схемы замещения межэлектродного зазора при электроэрозионной обработке / А. Д. Семенов, А. С. Никиткин, О. В. Авдеева // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2009. - С. 294-298.

7. Авдеева, О. В. Моделирование системы автоматического регулирования межэлектродного зазора "при электроэрозиошюм профилировании алмазных кругов / А. Д. Семенов, А. С, Никиткин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. - С. 290-294.

8. Авдеева, О. В. Рекуррентный алгоритм поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта / А. С. Никиткин, О. В. Авдеева // Датчики и системы : тр. XXIX Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов. - Пенза: ОАО «НИИФИ», 2010. - С. 180-182.

9. Авдеева, О. В. К вопросу о построении автоматических систем управления для станков электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов на токопроводящих связках / А. С. Никиткин, О. В. Авдеева // Датчики и системы : тр. XXIX Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов. - Пенза : ОАО «НИИФИ», 2010.-С. 201-203.

10. Авдеева, О. В. Помехозащищенный алгоритм поиска экстремума статистической характеристики инерционного объекта / О. В. Авдеева // Современные технологии в задачах автоматики, управлении и обработке информации : тр. Междунар. науч.-техн. семинара. - М.: Изд-во МАИ, 2010. - С. 269-270.

11. Авдеева, О. В. Алгоритм экстремального регулирования автоматической системы управления процессом электроэрозионной обработки / А. Д. Семенов, О. В. Авдеева, А. С. Никиткин // Надежность и качество - 2010 : тр. Междунар. симп. : в 2 т. - Пемза : Изд-во ПГУ, 2010. - Т. 2. - С. 191-192.

12. Авдеева, О. В. Помехоустойчивый быстродействующий алгоритм экстремального регулирования / О. В. Авдеева, А. Д. Семенов, А. С. Никиткин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. науч.-техн. конф. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - Т. 1. - С. 1-6.

13. Авдеева, О. В. Помехоустойчивый алгоритм экстремального регулирования инерционными объектами / А. Д. Семенов, О. В. Авдеева, А. С. Никиткин // Автоматизация & 1Т в энергетике. - 20 И. - № 11. - С. 18-21.

14. Авдеева, О. В, Моделирование экстремального регулятора производительности / А. Д. Семенов, О. В. Авдеева, А. С. Никиткин // Новые промышленные технологии. - 2011. - № 3. - С. 46-49.

15. Авдеева, О. В. Конструкция системы управления электроэрозионным профилированием алмазных шлифовальных кругов / А. Д. Семенов, А. С. Никиткин, О. В. Авдеева//Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2011. -№ 5. - С. 17-22.

16. Авдеева, О. В. Программное управление автоматизированной установкой для глубинного электроэрозионного профилирования шлифовальных кругов / А. Д. Семенов, А. С. Никиткин, О. В. Авдеева // Новые промышленные технологии. - 2011. -№ 6. - С. 5-8.

17. Авдеева, О. В. Экстремальное регулирование инерционными объектами в условиях сильных помех / О. В. Авдеева, А. С. Никиткин // Современные технологии в задачах автоматики, управлении и обработке информации : тр. Междунар. науч.-техн. семинара. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - С. 5-6.

18. Авдеева, О. В. Моделирование экстремального регулятора на основе рекуррентной процедуры метода наименьших квадратов / А. Д. Семенов, О. В. Авдеева, А. С. Никиткин // Векторная энергетика технических, биологических и социальных систем : науч. тр. 12 межвуз. Рос. науч. конф. - Балаково, 2011. - С. 80-86.

19. Авдеева, О. В. Исследование нелинейной системы с экстремальной характеристикой / О. В. Авдеева // Современные технологии в задачах автоматики, управлении и обработке информации : тр. Междунар. науч.-техн. семинара. - М. : Изд-во МАИ, 2012. - С. 3-4.

20. Авдеева, О. В. Экстремальное управление процессом электроэрозионной обработки / О. В. Авдеева И XXXIX Гагаринские чтения : науч. тр. Междунар. молодежной науч. конф. - М.: Изд-во МАТИ, 2013. - Т. 5. - С. 124.

21. Авдеева, О. В. Автоматизация процесса электроэрозионной обработки с использованием методов экстремального управления / О. В. Авдеева // Проблемы автома-

тизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - С. 3-6.

22. Авдеева, О. В. Динамика процесса поиска экстремума в автоколебательной системе с переменным знаком обратной связи / О. В. Авдеева, А. Д. Семенов // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во ПТУ, 2013. - С. 417-422.

23. Авдеева, О. В. Алгоритм регулирования межэлектродного зазора при электроэрозионном профилировании алмазных шлифовальных кругов по соотношению длительности режимов холостого хода и короткого замыкания / О. В. Авдеева, А. Д. Семенов // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - С. 448-451.

24. Авдеева, О. В. Исследование экстремальной автоколебательной системы с переменной структурой / О. В. Авдеева // Современные проблемы математики и ее прикладные аспекты - 2013 : сб. тез. науч.-практ. конф. - Пермь : Изд-во Перм. гос. нац. исслед. ун-та, 2013. - С. 179.

Научное издание АВДЕЕВА Ольга Викторовна

Экстремальное комбинированное управление процессом электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность).

Редактор Н. А. Сидельникова Технический редактор Н. В. Иванова Компьютерная верстка Н. В. Ивановой

Распоряжение № 27/2013 от 12.11.2013. Подписано в печать 13.11.13. Формат 60x841/16. Усл. печ. л. 0,93. Заказ № 896. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru

ФГБОУ ВПО ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201454609

АВДЕЕВА Ольга Викторовна

ЭКСТРЕМАЛЬНОЕ КОМБИНИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ АЛМАЗНЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

Специальность:

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент А.Д. Семенов

ПЕНЗА 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ........................................... 4

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 9

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ............................... 11

1.1 Процесс электроэрозионной обработки как объект управления и его организационная структура..................................................... 13

1.2 Особенности электроэрозионного профилирования алмазных кругов............................................................................... 19

1.3 Автоматизированные системы управления процессом электроэрозионной обработки................................................. 24

1.4 Усовершенствованное управление (АРС-управление) процессом электроэрозионной обработки................................................. 30

1.5 Выводы.............................................................................. 38

2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ АЛМАЗНЫХ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ........................... 40

2.1 Топологическая модель поверхностей алмазных кругов, построенная на основе сингулярного разложения........................ 41

2.2 Электромеханическая моделирование на основе обобщенной теории электрических машин................................................. 56

2.3 Электрическая модель, построенная на основе осциллограмм с использованием системы Ма11аЬ............................................. 69

2.4 Математическая модель процесса электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов....................... 79

2.5 Аппроксимация обобщенной математической модели процесса электроэрозионной обработки моделью типа Гаммерштейна......... 88

2.6 Выводы.............................................................................. 91

3. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫХ СТАНКОВ................................... 93

3.1 Расчет подсистемы подачи электрода-инструмента электроэрозионного станка..................................................... 94

3.2 Разработка алгоритма экстремального регулирования статической характеристики инерционного объекта..................................... 103

3-3 Проверка алгоритма экстремального регулирования на основе РМНК................................................................................109

3.4 Синтез и анализ стабилизирующей системы управления процессами электроэрозионного профилирования....................................... 113

3.5 Расчет динамики экстремальной системы с внутренним контуром стабилизации по сопротивлению межэлектродного зазора............ 118

3.5 Выводы............................................................................. 121

4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

ПРОФИЛИРОВАНИЯ......................................................... 124

4.1 Объекты и характеристики установки для электроэрозионного

профилирования алмазных шлифовальных кругов........................ 124

4.2. Программные средства системы управления электроэрозионным станком............................................................................. 130

4.3. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации электроэрозионного станка.................................................... 139

4.4 Разработка SCADA-проекта системы управления электроэрозионным станком................................................... 145

4.5 Выводы............................................................................. 148

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ......................................................... 149

Литература......................................................................... 151

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................164

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ЭЭО -электроэрозионная обработка

МЭЗ - межэлектродный зазор

ЭИ - электрод-инструмент

ЭД - электрод-деталь

КПД - коэффициент полезного действия

ЧПУ - числовое программное управление

ЭВМ -электронно-вычислительная машина

УЧПУ -устройство числового программного управления

CALS -Continuous Acquisitionand Lifecycle Support (непрерывная

информационная поддержка поставок и жизненного цикла)

ПЛИС -программируемые логические интегральные схемы

ЭП -электропривод

РП -регулятор положения

МК -микроконтроллер

ДП -датчик положения

ПФК -преобразователь фаза-код

АД -асинхронный двигатель

ТП -технологический процесс

АРС -Advanced Processed Control (усовершенствованное управление)

MES -Manufacturing Execution System (система управления

производственными процессами)

ERP -EnterpriseResourcePlanning (планирование ресурсами предприятия)

КИПиА - контрольно-измерительные приборы и автоматика

ЭРМ - экстремальный регулятор мощности;

ПП - привод подачи;

Д - деталь

ДМ - датчик мощности

ГТИ - генератор технологических импульсов

OPC -OLE for Process Control

SCADA - Supervisory control and data acquisition

CAE - Computer Aided Engineering

АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим

процессом РП - режущий профиль

ЭР - экстремальный регулятор

ВВЕДЕНИЕ

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) широко применяется для изменения размеров металлических изделий сложной конфигурации из твердых сплавов, а также для профилирования алмазных шлифовальных кругов. Основные недостатки электроэрозионной обработки - невысокая производительность (скорость подачи обычно менее 1 мм/мин) и высокое энергопотребление. Использование экстремального регулирования при электроэрозионной обработки позволяет в значительной степени устранить эти недостатки.

Широкое применение экстремального регулирования сдерживается тем, что процесс электроэрозионной обработки носит стохастический характер, особенно это относится к процессу профилирования алмазных кругов. Сложный микрорельеф обрабатываемой поверхности, наличие токонепроводящих включений, нежелательность графитизации алмазных зёрен под действием электрического тока, высокая точность профилирования предъявляют повышенные требования к системе управления процессом электроэрозионной обработки.

Поэтому управлять данным процессом традиционными методами поиска экстремума затруднительно и требует разработки помехозащищённых и высокоточных алгоритмов экстремального регулирования. Особый интерес представляет использование комбинированного экстремального управления, при котором использование внутренней обратной связи позволяет не только повысить точность и быстродействие системы, но и существенно уменьшить уровень действующих на систему возмущений, парируя их в контуре обратной связи.

Цель работы - повышение производительности, стабильности и снижение энергопотребления процесса электроэрозионной обработки на основе экстремального комбинированного управления.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ методов управления технологическим процессом электроэрозионного профилирования и выявление причин, снижающих производительность, стабильность и энергопотребление данного процесса.

2. Создание имитационных математических моделей процесса профилирования алмазных шлифовальных кругов, позволяющих получить уточненные характеристики данного процесса.

3. Построение обобщенной модели электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов, позволяющих осуществить обоснованный выбор алгоритмов и режимов управления данным процессом для повышения его стабильности, производительности и снижения энергопотребления.

4. Разработка помехозащищённого быстродействующего алгоритма поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта, позволяющего повысить точность ведения технологического процесса в объектах экстремального типа различной инерционности, работающих в условиях сильных помех.

5. Синтез и анализ структуры системы экстремального комбинированного управления процессом электроэрозионной обработки, обеспечивающей повышение стабильности, производительности и снижения энергопотребления рассматриваемого технологического процесса.

6. Апробация и внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований в производство и учебный процесс.

Научная новизна:

1. Разработана обобщенная имитационная модель процесса профилирования алмазных шлифовальных кругов, учитывающая его электродинамические и технологические особенности, используемые для обоснованного выбора экстремального алгоритма управления технологическим процессом.

2. Произведено упрощение обобщенной математической модели

процесса электроэрозионного профилирования моделью типа Гаммерштейна,

7

которая наиболее эффективна при разработке алгоритма поиска экстремума для достижения максимального значения средней мощности, выделяемой в межэлектродном зазоре.

3. Разработан помехозащищённый быстродействующий алгоритм поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта, позволяющий повысить точность технологических процессов в объектах экстремального типа различной инерционности, работающих в условиях сильных помех.

4. Предложена структура системы экстремального комбинированного управления процессом электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов с местной обратной связью по сопротивлению, позволяющая повысить стабильность, производительность и снизить энергопотребление данного технологического процесса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели процесса электроэрозионного профилирования, учитывающие его электродинамические и технологические особенности.

2. Результаты аппроксимации полученных моделей процесса электроэрозионного профилирования моделью типа Гаммерштейна, применяемой для алгоритмизации и управления данным процессом.

3. Помехоустойчивый быстродействующий алгоритм поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта, заключающийся в рекуррентной оценке коэффициента передачи экстремального объекта с последующим поиском его нулевого значения.

4. Структура системы экстремального комбинированного управления процессом электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов, отличающаяся от известных систем, введением местной обратной связи по активному сопротивлению межэлектродного зазора.

Практическая ценность заключается в разработке современных

научно обоснованных методов и средств управления экстремальными

8

объектами, работающими в условиях сильных возмущений, в частности автоматизированными системами профилирования алмазных кругов.

- Разработанные математические модели процесса электроэрозионной обработки позволяют осуществлять поиск оптимальных режимов профилирования, не прибегая к сложным экспериментальным исследованиям.

- Разработанный помехозащищенный быстродействующий алгоритм поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта, позволяющего повысить точность ведения технологических процессов в объектах экстремального типа различной инерционности, работающих в условиях сильных помех.

- Синтезированная экстремальная комбинированная система управления процессом электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов, которая позволяет повысить производительность, стабильность и снизить энергопотребление данного процесса.

- Разработанная автоматизированная система управления установкой для электроэрозионного профилирования алмазных шлифовальных кругов существенно повышает его технико-экономические показатели.

Данная работа поддержана и одобрена:

- аналитической ведомственной целевой программы Федерального агентства по образованию РФ «Развитие научного потенциала высшей школы 2009-2012 г.» №01200952070 от 01.2009 г. в соответствии с планами госбюджетной научно-исследовательской работы Пензенского государственного университета;

- конкурсом «Поддержка развития внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в научно-образовательных центрах» по ГК № 14. В 37.21.0160;

- программой «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.) в 2010-2012 гг. от фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Проект №10199).

Результаты работы внедрены в производство на ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М.В. Проценко», что позволило повысить производительность, стабильность и снизить энергопотребление процесса профилирования алмазных шлифовальных кругов.

Разработанные математические модели в виде методик, алгоритмов и программ используются в ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М.В. Проценко», ОАО «МАЯК», НПФ «КРУГ», ООО «АВТОМАТИКА » при проектировании и испытаниях нового оборудования.

Математические модели, алгоритмы и программы внедрены в учебный процесс на кафедре «Автоматика и телемеханика» Пензенского государственного университета при подготовке бакалавров, инженеров магистров по направлению 220400 «Управление в технических системах».

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

Преимущество электрофизических методов обработки по сравнению с известными механическими методами заключается в том, что твёрдость режущего инструмента не должна опережать твёрдость материала обрабатываемой детали. Режущим инструментом для электрофизической, в частности, электроэрозионной обработки, служат электроды, изготовленные из относительно дешёвых и легко обрабатываемых материалов (например, медные или графитовые фасонные электроды, тонкая латунная или вольфрамовая проволока). Это преимущество актуально в инструментальном производстве. Например, при изготовлении некоторых типов штампов механическими методами стоимость режущего инструмента составляет более 50 % технологической себестоимости обработки. При обработке этих же штампов электроэрозионными методами стоимость инструмента не превышает 3,5 %.

Достоинства электрофизических методов обработки деталей делают задачу их подробного изучения актуальной. Целью данной главы является обзор и анализ важнейших проблем развития методов управления процессом ЭЭО, а также технических возможностей процесса ЭЭО изделий в машиностроении и приборостроении.

Электроэрозионные технологии особенно эффективны в инструментальном производстве, которое необходимо на любом крупном машиностроительном или приборостроительном предприятии. Это связано с тем, что для серийного изготовления технических систем необходима специальная технологическая оснастка: штампы, пресс-формы, литейные формы для точного литья, специализированный инструмент. Изготовление специальной оснастки, режущего или контрольно-измерительного инструмента на металлорежущем технологическом оборудовании

чрезвычайно трудоёмко, а также сопряжено с необходимостью использования дорогостоящих ручных слесарно-доводочных работ.

По сравнению с механической обработкой электроэрозионные технологии имеют целый ряд существенных преимуществ. В частности, на одном электроэрозионном станке при одной установке детали одной электроэрозионной технологической операцией можно осуществить практически полную обработку поверхностей этой детали [1]. Использование электроэрозионных технологий позволяет исключить из технологического процесса множество механических и ручных слесарных операций: фрезерование, сверление, координатную расточку, протягивание, координатное шлифование, разметку, опиловку, шабрение, шлифование, полирование, доводку и др. Кроме того, электроэрозионная обработка выполняется при высокой степени автоматизации и может допускать отсутствие рабочего-оператора.

Технологические возможности электроэрозионной обработки, такие, как точность и качество обработанных поверхностей, во многих случаях превосходят возможности методов механической обработки. При обработке поверхностей сложных деталей электроэрозионными методами относительно несложно получить поверхности точностью до 1 мкм, шероховатостью Яа = 0,02...0,08 мкм и с повышенной твёрдостью поверхностного слоя [1]. В ряде случаев электроэрозионными методами можно изготовить изделия, которые практически невозможно получить другими технологиями, например, сложные детали пресс-форм.

В общем случае использование одной электроэрозионной технологической операции (например, проволочно-вырезной) при изготовлении штампов заменяет до 13 механических и слесарных операций. При этом существует возможность снижения [1]:

1) стоимости технологической оснастки - в 10 раз;

2) трудоёмкости изделия - в 15 раз;

3) энергоёмкости изделия - в 7 раз;

4) количества рабочих мест - в 6...7 раз;

5) затрат на режущий инструмент - в 14 раз.

В результате использования электроэрозионных технологий улучшаются качественные характеристики оснастки, в частности, её стойкость, повышается коэффициент использования материала и коэффициент загрузки обору