Электропривод в системе автоматического регулирования процесса резания

 
 
 
 
 
 
А. Г. ЛЮТОВ, Г. Н. КОУРОВ, Н. Г. РЕКА 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОПРИВОД В СИСТЕМЕ  
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ  
ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ   
 
 
Учебное пособие  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

УДК 62-83:621.9 
ББК 34.63 
Л96 
 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор кафедры автоматизированных систем управления УГАТУ 
Г. Г. Куликов; 
к. т. н., заведующий кафедрой технологии машиностроения НТИ НИЯУ МИФИ 
В. В. Закураев 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Лютов, А. Г. 
Л96  
 Электропривод в системе автоматического регулирования процесса резания : учебное пособие / А. Г. Лютов, Г. Н. Коуров, Н. Г. Река. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 140 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1634-4 
 
Рассмотрены вопросы связи основного параметра, определяющего эффективность 
лезвийной обработки металла, – температуры в зоне резания с расходом электроэнергии привода главного движения токарного станка. Изложена авторская методика анализа процесса резания и оборудования как объектов управления, решены примеры с применением данной методики. Рассмотрена оригинальная структура системы автоматического регулирования температуры в зоне резания, произведено ее моделирование, 
исследованы статические и динамические свойства. 
Для студентов направлений подготовки 15.03.04 и 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» и для специалистов этого направления. 
 
 УДК 62-83:621.9 
 ББК 34.63 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1634-4 
” Лютов А. Г., Коуров Г. Н., Река Н. Г., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

Введение 
 
Автоматизация технологических процессов является одним из главных направлений технического прогресса, повышения производительности труда и создания материально-технической базы страны. 
Главный путь интенсификации производства и эффективного использования трудовых ресурсов – это переход на принципиально новые системы управления технологическими и производственными процессами с использованием современных технических средств и современной вычислительной техники. 
Практически все процессы, связанные с движением с использованием 
механической энергии, осуществляются электроприводом [95]. 
В современной теории электропривода [108] трактуется, что большинство электроприводов – это часть сложной электромеханической системы. Учитывая важность регулировочных свойств современных приводов, они изучаются совместно с другими характеристиками. 
Безусловно, для специалистов по автоматизации технологических процессов и производств при создании систем автоматического регулирования технологическими процессами электропривод интересен не только как 
преобразователь электрической энергии в механическую, но и как информационная система. Пользуясь информационными свойствами электропривода, авторам удалось решить проблему измерения температуры в зоне 
резания металла, в результате чего создана система управления лезвийной 
обработкой металлов на основе определения температуры в зоне резания 
по расходу электроэнергии [61, 63, 80]. 
Учебное пособие написано на основе материалов научных исследований и лекций, читаемых авторами по дисциплинам: «Электропривод 
в автоматизированных системах управления технологическими процессами» для магистрантов направления 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»; «Теория автоматического управления 
технологическими процессами», «Электромеханические системы в автоматизированных технологических процессах», «Интегрированные системы 
проектирования и управления технологическими процессами», «Технические измерения и приборы» подготовки бакалавров направления 15.03.04 
«Автоматизация технологических процессов и производств» всех форм 
обучения в Уфимском государственном авиационном техническом университете. 
Цель разработки учебного пособия 
В результате проведения лабораторных и практических занятий, изучения лекционных материалов, а также материалов учебного пособия спе3 
 

циалист в соответствии с Федеральным государственным образовательным 
стандартом (ФГОС) и учебной программой направления 15.04.04 будет 
обладать: 
x способностью разрабатывать технические задания на модернизацию и автоматизацию действующих производственных и технологических 
процессов и производств, технических средств и систем автоматизации, 
управления, контроля, автоматизированные и автоматические технологии 
производства, средства и системы автоматизации, управления процессами 
(профессиональная компетенция (ПК) ПК-1); 
x способностью составлять описание принципов действия и конструкции устройств, проектируемых технических средств и систем автоматизации, управления, контроля и испытаний технологических процессов и производств общепромышленного и специального назначения для 
различных отраслей национального хозяйства, проектировать их архитектурно-программные комплексы (ПК-3); 
x способностью проводить математическое моделирование процессов, оборудования, средств и систем автоматизации, контроля, испыта- 
ний и управления с использованием современных технологий научных исследований, разрабатывать алгоритмическое и программное обеспечение 
средств и систем автоматизации и управления (ПК-16). 
В результате проведения лабораторных и практических занятий, 
изучения лекционных материалов, а также материалов учебного пособия 
выпускник в соответствии с ФГОС и учебной программой направления 
15.03.04 будет обладать: 
x способностью участвовать в постановке целей проекта (программы), его задач при заданных критериях, целевых функциях, ограничениях, 
разработке структуры его взаимосвязей, определении приоритетов решения задач с учетом нравственных аспектов профессиональной деятельности, в разработке проектов изделий с учетом технологических, конструкторских, эксплуатационных, эстетических, экономических и управленческих параметров, в разработке проектов модернизации действующих производств, создании новых, в разработке средств и систем автоматизации, 
контроля, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным 
циклом продукции и ее качеством в соответствии с техническими заданиями и использованием стандартных средств автоматизации расчетов и 
проектирования (ПК-4); 
x способностью участвовать в разработке проектов по автоматизации производственных и технологических процессов, технических средств 
и систем автоматизации, контроля, испытаний, управления процессами, качеством продукции, в практическом освоении и совершенствовании данных процессов, средств и систем (ПК-7). 
4 
 

Актуальность разработки учебного пособия 
За прошедшие 100 с лишним лет проблемы, связанные с обработкой 
металлов резанием, не потеряли актуальности, а скорее – возросли [74]. 
Доля механообработки по трудоемкости, при изготовлении деталей авиадвигателей составляет от 40 до 60 процентов от общего времени изготовления этих изделий [20].  
Создание на научной основе систем управления процессами обработки металлов резанием и их применение повышает качество и эффективность производства изделий, в частности, ответственных деталей авиационной техники. Одним из элементов технологического процесса изготовления деталей является процесс лезвийной обработки металлов. 
Однако процесс лезвийной обработки металлов сопровождается широким спектром возмущений. Действие возмущений в процессе обработки 
детали вызывает отклонение параметров режима процесса резания от заданных значений, что снижает производительность и качество лезвийной 
обработки. Повышение эффективности процесса лезвийной обработки металлов является проблемой науки и современного производства. 
Повышение эффективности процесса лезвийной обработки заключается в сокращении издержек на изготовление деталей за счет стабилизации заданного качества поверхностного слоя детали. 
На основе анализа современной научной и технической литературы 
авторами определено, что существенным способом повышения эффективности механообработки является применение систем автоматического регулирования (САР) параметров процесса резания. Основным параметром, 
регламентирующим эффективность лезвийной обработки, является температура в зоне резания. Однако, внедрению САР температуры в зоне резания (САРТ) препятствует отсутствие надежных систем контроля температуры. Существующие системы автоматического регулирования температуры в зоне резания не нашли широкого применения в промышленности. Причиной этого являются недостатки способов контроля температуры в зоне резания. 
Создание системы автоматического измерения температуры в зоне 
резания, пригодной для промышленного внедрения, и построение САРТ 
на ее основе до настоящего времени является проблемой. 
Вопросам измерения температуры в зоне резания и построению систем автоматического регулирования процесса резания посвящены многие 
труды современных ученых, имеются патенты, заявки на изобретения, что 
подтверждает актуальность решения существующих проблем. 
Учебное пособие выделяет существующие проблемы и предлагает 
способы их решения. 
5 
 

Степень новизны материалов учебного пособия 
1. В учебном пособии рассматривается математическая модель связи 
расхода электроэнергии привода главного движения с температурой в зоне резания, отличающаяся от существующих тем, что при лезвийной обработке металла тепло образуется не в плоскости скалывания, а в объемном «нагреваемом теле», деформируемом под воздействием тангенциальной составляющей силы резания. Информативным параметром температуры в зоне резания является расход электрической энергии привода главного движения. 
2. Способ автоматического определения температуры в зоне резания, 
отличающийся от известных тем, что температура определяется по расходу электроэнергии привода главного движения, с использованием предложенной в п. 1 степени новизны, защищен патентом на способ. 
3. Рассматриваются динамические модели процесса лезвийной обработки и технологического оборудования, отличающиеся от существующих тем, что в них учитываются параметрические и сигнальные возмущения, действующие на процесс лезвийной обработки и технологическое 
оборудование. Оригинальная методика анализа процесса резания и технологического оборудования как объектов управления, являющаяся алгоритмом разработки динамических моделей объектов управления, предложена 
авторами учебного пособия. 
4. Система автоматического регулирования температуры в зоне резания металла, структура которой отличается от существующих тем, что 
сигнал, пропорциональный температуре в зоне резания, определяется вычислительным путем при помощи измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) по модели, предложенной в п. 1., разработана и научно 
обоснована авторами учебного пособия. 
Особенности авторской концепции 
Специалист по автоматизации технологических процессов и производств, выполняя свои профессиональные обязанности, в каждом случае, 
когда приступает к разработке системы автоматического управления, сталкивается с новым объектом управления. Объекты управления могут быть 
различной физической природы. В связи с этим от специалиста требуется 
широкий круг знаний и умения применять эти знания в целях решения поставленной задачи. Авторы не считают информацию, формирующую знания и умения, приводящуюся в учебном пособии, исчерпывающей, поэтому предлагают широкий спектр литературных источников, расширяющих информационное поле разработчика систем автоматического управления. Выделена основная литература. Учебное пособие ставит многоплановый спектр задач, увлекая читателя генерировать способ решения, и да6 
 

лее предлагает решение, вызывая читателя на дискуссию. При этом читатель не только познает изучаемый материал, но и тестирует свои творческие способности.  
Методические рекомендации 
по использованию учебного пособия в учебном процессе 
В учебном пособии во взаимосвязи излагаются этапы создания системы автоматического регулирования, но каждая глава представляет собой законченный материал, то есть поставлена задача и дано ее решение. 
Это дает возможность при возникновении проблем частного характера не 
перечитывать весь материал пособия, выискивая решение проблемы, а проработать нужную главу. 
7 
 

ГЛАВА 1 
 
ВОПРОСЫ УПРАВЛЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ 
ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ 
 
1.1. Эффективность процесса лезвийной обработки 
металла  
На международном инвестиционном форуме «Сочи-2015» определено, что одним из показателей экономического роста страны является повышение эффективности производства. Повышение эффективности производства заключается в сокращении издержек при изготовлении изделий. 
При механообработке на токарных станках повышение эффективности процесса резания реализуется за счет сокращения издержек на изготовление 
деталей.  
Издержки – это выраженные в денежной форме затраты, обусловленные расходованием разных видов экономических ресурсов (сырья, материалов, труда, основных средств, услуг, финансовых ресурсов) в процессе производства и обращения продукции, товаров [59]. 
Повышение эффективности процесса механообработки на токарных 
станках достигается за счет устранения избыточных издержек (относительно нормативных) на производство деталей. 
Избыточные издержки механической обработки на токарных станках 
могут быть обусловлены следующим: 
x невозможностью стабильно получать высокие показатели качества 
поверхности детали (остаточные напряжения, глубину и степень наклепа, 
параметры шероховатости), так как канал управления температурой подвержен действию широкого спектра возмущений, а существующие средства контроля температуры в зоне резания в производственных условиях 
невозможно использовать вследствие сложности их применения, что вызывает возможность возникновения брака изделия;  
x избыточными затратами времени на переналадку инструмента; 
x избыточным расходом дорогостоящих инструментальных материалов;  
x назначением заниженных режимов резания с целью предотвращения перегрева инструмента и выхода из строя оборудования; 
x избыточным расходом энергии на единицу продукции и др. 
Сокращение издержек может быть достигнуто за счет управления режимами резания по следующим критериям эффективности. 
 
 
8 
 

1. Критерий поддержания оптимальной температуры. 
В зоне резания металлов вследствие пластических деформаций и трения возникает теплота, которая оказывает влияние на коэффициент трения, характер наростообразования, износ инструмента, качество обработанной поверхности, энергопотребление и другие показатели процесса резания. Особенно важно соблюдение температурно-силовых режимов при 
обработке жаропрочных материалов, использующихся для изготовления 
ответственных деталей газотурбинных двигателей [17]. Поэтому для правильного выбора условий и режимов обработки необходимо знать закономерности изменения температуры в зоне резания в зависимости от влияющих на нее факторов. 
Для ответственных деталей машин необходимо обеспечить требуемые эксплуатационные свойства, которые зависят от одного или нескольких параметров. Эксплуатационные свойства определяются как параметрами точности деталей, так и качеством их поверхностного слоя (шероховатостью, степенью и глубиной наклепа, величиной и знаком остаточных напряжений) [8]. 
В реальных условиях производства деталей, даже при стабильном задании управляющих воздействий системой числового программного управления (ЧПУ), параметры процесса резания могут отклоняться в результате действия возмущений, вызывающих отклонение показателей качества 
обрабатываемой поверхности. 
На основании этого можно сделать вывод, что эффективность процесса резания повышается за счет стабилизации основных показателей качества обрабатываемой поверхности детали – остаточных напряжений, 
глубины и степени наклепа, параметров шероховатости и погрешности 
обработки, с учетом одновременного действия механических и тепловых 
явлений при резании материалов. Для этого необходимо осуществлять оптимальное управление процессом резания. 
А. Д. Макаровым в [42] сформулировано положение, в котором констатируется, что для заданного материала режущей части инструмента 
при различных комбинациях скорости резания, подачи и глубины резания 
соответствует постоянная температура в зоне резания – оптимальная температура резания. Режимы резания, соответствующие оптимальной температуре, называют оптимальными режимами резания. Установление оптимальных режимов резания позволяет производить эффективное резание 
со стабилизацией качества поверхностного слоя детали. При оптимальной 
температуре резания также снижается интенсивность износа инструмента, что повышает производительность оборудования за счет уменьшения 
количества перенастроек инструмента. Во многих случаях, особенно для 
труднообрабатываемых материалов, оптимальные режимы резания с достаточной точностью могут быть приняты в качестве экономических и энергосберегающих. 
9 
 

Наименьшая интенсивность износа инструмента и наивысшее качество обработанной поверхности могут быть получены, если соблюдается 
постоянство оптимальной температуры резания при формообразовании 
всей поверхности детали. 
Таким образом, сокращение издержек, то есть повышение эффективности механической обработки при назначении режимов, работающих 
по критерию поддержания оптимальной температуры, осуществляется за 
счет экономии дорогостоящих инструментальных материалов, сокращения числа переналадок, за счет повышения качества изделия (стабилизируются шероховатость поверхности, степень и глубина наклепа, остаточные напряжения и др.). 
2. Критерий достижения максимальной производительности (форсированные режимы резания, высокоскоростная обработка (ВСО)). 
Повышение производительности оборудования всегда является актуальным. В некоторых случаях, исходя из экономических соображений, 
стремятся повысить производительность процесса резания до максимального значения. При этом назначаются форсированные режимы, обеспечивающие процесс резания по критерию максимальной производительности.  
Ограничивающим фактором при форсировании режимов является 
температура в зоне резания [60]. При высокой температуре может произойти перегрев инструмента. Форсирование режимов можно осуществить 
только при непрерывном контроле температуры в процессе механической 
обработки. Однако, для контроля температуры в зоне резания в производственных условиях нет достаточно простых, надежных, точных измерителей температуры в зоне резания металла. 
При изготовлении деталей пользуются технологическими рекомендациями, на основании которых назначают режимы резания. Все рекомендации имеют заниженные режимы по нескольким причинам: опасности 
перегрева инструмента, выхода из строя технологического оборудования, 
отсутствия непрерывного контроля над тепловыми процессами в зоне резания. Непрерывный контроль температуры позволяет управлять режимами резания, добиваясь максимальной производительности.  
Зная свойства обрабатываемого и инструментального материалов, 
геометрические параметры инструмента, размеры обрабатываемой детали, параметры оборудования, можно создать модель процесса резания, которая позволяет определить температуру в зоне резания и в соответствии 
с этим назначить режимы обработки, позволяющие добиться максимальной производительности [32, 33, 58]. 
Однако в ручном режиме оператор не сможет добиться надлежащего 
качества регулирования процесса резания, даже при наличии надежного 
измерителя температуры, поэтому необходимо применение системы автоматического регулирования температурой в зоне резания. 
10