Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Цель курсового проекта - закрепление, систематизация и расширение знаний, полученных во время изучения курса «Автоматизация металлообработки», получение навыков восприятия и обоснования технических решений при выборе системы электропривода, элементной базы и расчета всех элементов автоматизированной системы управления технологическим процессом металлообработки.

Задание на курсовое проектирование - спроектировать автоматизированную систему управления электроприводом подачи стола фрезерного станка с поддержанием постоянной мощности резания.

Исходные данные

Базовая модель станка - 6Б75ВФ1;

Мощность привода главного движения - 1,5 кВт;

Мощность привода подачи - 0,4 кВт;

Частота вращения шпинделя - 40 - 2000 об/мин;

Скорость подачи - 16 -710 мм/мин.

1. Описание конструкции станка

Назначение и область применении.

Станок вертикальный консольно-фрезерный инструментальный широкоуниверсальный модели 6Б75В предназначен для выполнения разнообразных фрезерных работ в различных плоскостях и под различными углами наклоном в широком диапазоне режимов резания.

Кроме того, наличие горизонтального и вертикального шпинделей и большого количества принадлежностей позволяет производить на станке следующие работи: свердление, долбение, шлифование, растачивание, подрезку торцов, нанесение рисок, фрезерование винтових поверхностей и другие.

Широкое технологические возможности станка позволяют наиболие еффективно применять его в инструментальном производстве, а также в експерементальном производстве и других областях.

Станок предназначен для экоплуатации в стационарних условиях в закрытых помещениях, пи температуре окружающей среды 20є С ± 1є С и относительнои влажности 65% ± 5%.

Состав станка.

Станок состоит из отдельных составных частей. На чугунном основании станины закреплена колонна, на которой монтируется все основные составные части станка. На задней стенке колонны установлен привод подач. На верхней части колонны закреплен съемник, на который устанавливается головка вертикально в нерабочем положении.

По горизонтальным направляющим колонны перемещается бабка шпиндельная, к которой крепится вертикальная головка и хобот.

По вертикальным направляющим колонны перемещается суппорт, по его горизонтальным направляющим - основной вертикальный стол. Бак охлаждения с электронасосом размещен в основании станины.

К вертикальной базовой плоскости основного вертикального суппорта крепятся угловой горизонтальный стол или универсальный стол, служащие для установки на них обрабатываемых деталей.

Для делительных работ станок снабжен круглым столом и делительной головкой, которые могут устанавливаться как на угловом горизонтальном столе , так и на вертикальной плоскости основно-вертикального стола. Для долбежных робот предусмотрена долбежная головка, которая устанавливается на бабке шпиндельной. Головка быстроходная, головка шлифовальная, головка подрезная, резцедержатель, патрон цанговый, втулки, борштанги устанавливаются и закрепляются в конусах шпинделей.

Суппорт устанавливается на вертикальных направляющих колонны станины и служит для предельного и вертикального перемещения основного вертикального стола механически или вручную. Механическая подача стола осуществляется ходовыми винтами от приводного вала , получающего вращение от привода подач.

Продольные и вертикальные механические перемещения отключаются проходными и концевыми упорами. Проходные упоры закрепляются в т - образных пазах и могут быть установлены на требуемый размер хода. Величины продольных и вертикальных перемещений контролируются по линейкам и лимбам. Для особо точных перемещений служат индикаторные устройства.

Движения в станке.

Главное движение - вращение шпинделя фрезы осуществляется от электродвигателя М1 (типа 4Ф80В4У3 1,5 кВТ, 380/220 В, синхронная скорость 1500 об/мин), который через коробку скоростей сообщает шпинделю различные частоты вращения.

Изменение направления вращения шпинделя осуществляется реверсированием электродвигателя.

Движение подачи производится от электродвигателя М3 (электродвигатель постоянного тока с встроенным тахогенератором),привода перемещения стола, бабки, суппорта. Коробка подач станка позволяет осуществлять механическое перемещение стола в двух направлениях: продольном (перпендикулярно оси шпинделя) и вертикальном. Специальные блокировочные устройства обеспечивают невозможность одновременного включения нескольких движений.

Электооборудование станка.

На станке установлены два трехфазных короткозамкнутых электродвигателя:

М1 - электродвигатель вращение шпинделя фрезы типа 4Ф80В4У3 1,5 кВТ, 380/220 В, синхронная скорость 1500 об/мин.

М2 - двигатель электронасоса охлаждения типа ПА - 22 0,12 кВТ, производительностью 22 л/мин, 380/220 В.

М3 - электродвигательдвижения подачи выбирается исходя из требований к приводу подачи. А главными из них являются следующие:

- быть реверсивным;

- обеспечить плавное регулирование скорости, чтобы регулировать необходимое значение подач при обработке заготовок из разных материалов и при работе с инструментом разного диаметра.

На станке применяются следующие величины напряжений переменного тока:

- силовая цепь 3~50 Гц, 380 В;

- цепь местного освещения 50 Гц, 24 В;

- цепь сигнализации 50 Гц , 5,5 В;

- цепь управления - вібирается в соответсвии с системой управления.

На станке установлены семь микропереключателей. Шесть из них предназначены для ограничения хода рабочих органов, а один устанавливается в коробке переключения скоростей вращения шпинделя и служит для отключения двигателя М1 при изменении частоты вращения шпинделя.

Кинематическая схема. (рис.1.1)

Кинематическая схема станка состоит из

цепи главного движения и цепи подач.

Цепь главного движения.

От электродвигателя привода главного движения вращение передается валу I привода. От вала I через зубчатые пары 2, 5 или 3, 4 вращение передается валу IY коробки скоростей.

Далее через коробку скоростей и шестерни 25, 26 вращение получает горизонтальный шпиндель IX.

Вертикальный шпиндель XII получает вращение от вала YII через шестерни 29, 30, 31, 32.

Осевое перемещение вертикального шпинделя осуществляется через шестерню 34, перемещающую гильзу с рейкой 33.

Изменение чисел оборотов горизонтального и вертикального шпинделей производится переключением шестерен 4 и 5 привода и включением зубчатого перебора коробки скоростей.

Изменение направления вращения шпинделей IX и XII производится реверсированием электродвигателя 1 привода главного движения.

Насос для смазки 9 получает вращение от электродвигателя привода главного движения через вал I и шестерни 6, 7, 8.

Цепь подач.

Цепь подач сообщает движение трем рабочим органам: суппорту - по вертикали, салазкам - в продольном и шпиндельной бабке - в поперечном направлениях. Все перемещения осуществляются как механически так и вручную.

От электродвигателя 35 цепи подач движение передается через редуктор валу XYII.

Ходовой винт шпиндельной бабки связан с валом XYII шестернями 41, 42, 44, 45. Ходовой вал XYII суппорта связан с валом XYII шестернями 41, 42, 43, 52, 53. От ходового винта вала XYII суппорта вращение передается через шестерни 56, 57, продольному 58 или через шестерни 63, 64 вертикальному 68 ходовым винтам.

Ручное продольное перемещение суппорта производится вращением маховика с включением муфты 60, установленной на валу XXYI, через винт 58 и гайку 59. Ручное вертикальное перемещение суппорта производится вращением маховика с включением муфты 66 установленной на валу XXYI, через винт 68 и гайку 67.

Ручное поперечное перемещение шпиндельной бабки производится вращением маховика с включением муфты 51, установленной на валу XX, через конические шестерни 49, 50, винт 47 и гайку 48.

2. Выбор системы электропривода и приводного двигателя

2.1 Назначение электропривода

Электроприводы серии ЭШИР-I (включая и тип ЭШИР-I-A) с транзистором ШИП, выпускаемые Александрийским электромеханическим заводом (АЭМЗ) по разработке УкрНИИСИП, предназначены для механизмов подач прецизионных станков, манипуляторов, роботов и других подобных механизмов. Электроприводы (ЭП) обеспечивают широкий диапазон (Д) регулирования скорости (до 30000) с постоянным моментом на валу двигателя, автоматический пуск на любую заданную скорость, автоматическое торможение и реверс с любой скорости.

2.3 Структура электропривода

Основной элемент ЭП есть БП, в котором происходят как преобразование переменного напряжения питающей сети в регулируемое импульсное, подаваемое на якорь ЭД, так и все необходимые операции по управлению поступающей в ЭД энергией о целью изменения его скорости в соответствии с сигналом задания (от задатчика скорости или от устройства ЧПУ).

Питание ЭП осуществляется от трехфазной сети переменного тока через согласующий силовой трансформатор ТР, к которому подключены силовой (СИП) и вспомогательный (ВИП) источники питания.

СИП содержит: силовой выпрямитель; емкость фильтра; автоматический выключатель защиты; устройство защиты от перенапряжений при рекуперации энергии, состоящее из разрядного ключа РК со своей схемой управления и резисторов. Выходное напряжение СИП поступает на обмотку возбуждения двигателя (при наличии таковой) и на мостовой преобразователь УМ, образованный силовыми ключами СК1 … СК4.

Управление СК производится импульсными усилителями ИУ1 … ИУ4, осуществляющими согласование по мощности выходных сигналов устройства гальванической развязки УГР со входами СК. Широко - импульсные модуляторы (ШИМ1 и ШИМ2) осуществляет преобразование входного сигнала, поступающего из регулятора тока РТ в последовательность импульсов, скважность которых пропорциональна значению входного сигнала

Udx2, а чистота задается генератором пилообразного напряжения ГНП. Все перечисленные составляют вместе ШИП - усилитель мощности (УМ).

Контроль состояния ЭД осуществляется с помощью датчиков тока ДТ и скорости ДС. ДТ подает сигнал пропорциональный значению тока якоря и гальванически не связанный с якорной цепью. ДС - это тахогенератор, встроенный (пристроенный) в ЭД.

Система управления ЭП реализована по двухконтурной структуре регулирования, в которой внутренний контур (ВК) тока (РТ - УМ - ЭД - ДТ) подчинен внешнему контуру скорости (РС - АФ - ВК - ДС). Напряжение задания U3 формируется внешним, например, ручным задатчиком скорости ЗС или выходным каскадом (цифроаналоговым преобразователем) устройства ЧПУ. На входе РС формируется сигнал, пропорциональный разности напряжения заданий и обратной отрицательности

Приводной электродвигатель выбирается по заданной расчетной мощности.

Выбираем двигатель типа 2ПБ90МУХЛ4.

Таблица 1. Параметры двигателя

Мощ-ность, кВт	Напря- жение, В	Частота вращения, об/мин.	КПД, %	Сопротивление и индуктивность обмотки при 15,Ом
				Якоря	доб. пол.	возбужд.	Якоря,мГн
		ном.	макс.
P	U	n	N		R	R	R	L
0,4	220	2200	4000	58,5	6,84	4,40	222	147

Номинальный ток нагрузки:

Номинальная угловая скорость двигателя:

3. Выбор элементов и расчет параметров силовой цепи электропривода

Выбор преобразователя.

Соблюдая данные условия:

и ,

выбираем преобразователь серии: ЭКТ

230 В

25 А

4. Выбор трансформатора

Для согласования напряжения питания двигателя с напряжение сети выбирается согласующий трансформатор с номинальной мощностью

где к = 1,05 - схемный коэффициент.

Выбираем силовой трансформатор типа: ТС-6,3 04 - УХЛ4

Выбор сглаживающего дросселя.

Выбираем дроссель типа: ДСА - 554

5. Определение параметров цепи якоря

Номинальный коэффициент ЭДС:

Вс

Сопротивление якоря двигателя

Сопротивление якоря двигателя в нагретом состоянии

Суммарная индуктивность цепи якоря:

Суммарное активное сопротивление цепи якоря с учетом сглаживающего реактора:

Электромагнитная постоянная времени

Суммарный момент инерции, считая, что = :

металлообработка фрезерный станок управление

Электромеханическая постоянная времени

6. Расчет параметров регуляторов и звеньев обратных связей регулированного электропривода

Расчет параметров и постоянных времени будем производиться из условия, что система будет настраивается на симметричный оптимум. Принимаем параметры оптимальной настройки (для 4-ой точки, т.к. двухзонное регулирование): А₀ = 0,915, А =1,54, В = 0,44, С₁ = 1,1.

Значение резонансной частоты Щ_р = (150 - 200) рад/с, принимаем равным

Щ_р = 150 рад/с.

Рис. 2. Структурные схемы электропривода с ПИ - регулятором тока

Коэффициент тиристорного преобразователя определяется:

где U_НАС = 10 В - напряжение насыщения.

Определяю максимальную ЭДС тиристорного преобразователя:

В

Коэффициент обратной связи по току определяем:

B/A

Коэффициент обратной связи по скорости

Масштаб времени

.

Коэффициент усиления регулятора тока

Коэффициент усиления регулятора скорости определяется как

Коэффициент усиления регулятора тока

Постоянная времени регулятора скорости

Постоянная времени регулятора тока принимается равной электромагнитной постоянной времени

7. Выбор структуры системы управления технологическим процессом металлообработки.

Функциональная схема системы стабилизации мощности резания приведена на рис 4.

Рисунок 4 - Функциональная схема системы стабилизации мощности резания.

Схема стабилизации мощности резания детали на фрезерном станке может реализована по функциональной схеме, представленной на рисунке 4. Станок имеет два привода. Первый с двигателем М1, построенный по системе ТП-Д обеспечивает подачу стола с заготовкой.Второй с асинхронным двигателем М2, вращает фрезу.

Мощность резания зависит от глубины резания и ширины резания. Для компенсации этого возмущающего воздействия на мощность фрезерования нужно автоматически изменять скорость подачи стола. Для контроля мощности фрезерования применяют датчик ДМ активной мощности асинхронного двигателя М2 главного движения станка.

Напряжение U с датчика ДМ вместе с напряжением корректирующего устройства КУ поступает на вход функционального преобразователя ФП, который формирует напряжение отрицательной обратной связи U. Сигнал U задания скорости подачи является результирующим сигналом разницы между напряжением задания наибольшей скорости подачи U и напряжением U.

8. Расчет и построение статических характеристик системы управления технологическим процессом

Коэффициент передачи электропривода подачи стола.

Определяем угловые скорости движения двигателя и шпинделя при различных диаметрах обработки.

Коэффициент механической передачи

Где, Smax принимаем равную 500 мм/мин, tв=10 мм/об.

Коэффициент передачи датчика мощности

=1,5-2

Значение коєффициента передачи процесса обработки

Значение скорости рассчитывается по эмпирической формуле

где Т - среднее значение стойкости при одноинструментальной обработке

Т = 30 … 60 мин, принимаем равным Т = 60 мин;

t_Р - конечное значение глубины резания;

s - максимально возможная подача;

m, x, y, c_v, к_v - значение степени и коэффициенты, учитывающие вид

обработки заготовки

к_mv - поправочный коэффициент учитывающий качество обрабатываемого материала

где к_г и n выбираются из таблицы 4.2 [2], для углеродистой стали с содержанием углерода С > 0.6 значения коэффициентов следующие к_г = 1, n = 1, МПа

к_иv - поправочный коэффициент, учитывающий качество материала инструмента. Из таблицы 4,5 [2] для материала Т30К4 к_иv = 1,4;

к_пv - поправочный коэффициент, учитывающий влияние состояния поверхности заготовки на скорость резания. Для стальных и чугунных отливок с нормальной коркой (из таблицы 4.6 [2]) к_пv = 0.85.

Так как выбор двигателя осуществляется для максимально напряженного режима работы, то значение глубины резания t_р - принимаем равным t_р = 1 мм, так как это максимальное значение глубины резания для обработки жаропрочных сталей и сплавов. Обрабатываемый материал - сталь конструкционная углеродистая с содержанием углерода С > 0,6%. Из таблицы 4.11 [2] значение номинальной подачи для максимального значения диаметра обрабатываемой детали ( 2000 мм) при черновом наружном точении s_max = 1,8 мм/об. При этом размер державки резца равен 40Ч60 м. Резец изготовлен из быстрорежущей стали марки Т30К4.

Из таблицы 4.17 [2] для данного режима обработки выбираются коэффициенты, приведенные ниже

с_v = 340,

x = 0.15,

y = 0.45,

m = 0.2.

Скорость резания равна

Угловые скорости вращающейся детали определим из условия, что минимальный диаметр обрабатываемой детали равен D_min= 20 мм, а максимальный D_max = 2000 мм, при этом количество оборотов шпинделя можно определить по следующему выражению



Для минимального диаметра детали

Для максимального диаметра обработки

Передаточное число редуктора

Коэффициент механической передачи

Коэффициент усиления датчика радиуса

Коэффициент усиления масштабируемого усилителя

где V_з, V_зmax - фактическая и максимальная скорости детали,

Коэффициент передачи электропривода вращения шпинделя

Закон изменения напряжения задания скорости в зависимости от радиуса обработки имеет вид

Для того, чтобы обеспечить такой закон регулирования необходимо использовать функциональный преобразователь напряжения, у которого выходное напряжение зависит от радиуса обработки.

Где - напряжение задания максимальной скорости детали .



Последняя формула позволяет построить характеристику ФП в виде и , где - напряжение на выходе датчика радиуса.

Для радиуса обработки меньше, чем

стабилизация скорости невозможна.

Для упрощения технической реализации ФП производим кусочно - линейную аппроксимацию зависимости тремя отрезками прямых линий и рассчитываем параметры настройки ФП, которые обеспечивают такую аппроксимацию.

1 - - напряжения функционального преобразователя от радиуса обработки;

2 - аппроксимация .

В результате аппроксимации зависимость разбивается на три участка. Эти участки заменяются прямыми, проходящие через точки:

1 участок: координаты точек, через которые проходит прямая А1(0,01; 0), А2(0,05; 8);

2 участок: координаты точек, через которые проходит прямая А2(0,05; 8), А3(0,2; 9,5);

3 участок: координаты точек, через которые проходит прямая А3(0,2; 9,5), А4(1,0; 9,9).

Для каждого из участков можно записать уравнение прямой, проходящей через две точки, после чего вычислить значение U_фпi и подставить в формулу для скорости резания построить график зависимости V(R) после аппроксимации.

(7.10)

На первом, втором и третьем участке соответственно линейная зависимость напряжения функционального преобразователя от радиуса детали имеет вид:

1 участок: U_фп1 = 200R - 2;

2 участок: U_фп2 = 10R + 7.5;

3 участок: U_фп3 = 0.5R + 9.4.

Размещено на Allbest.ru