Разработка и модернизация приводов обрабатывающих центров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Увеличение производительности технологического процесса при применении обрабатывающих центров с числовым программным управлением достигается в основном за счет использования высокоскоростного привода главного движения, двигателя позволяющего обеспечить требуемое количество оборотов, а так же надежной системой управления. Эти составляющие в значительной степени определяют качество привода. Привод главного движения данного обрабатывающего центра является наиболее важным узлом в конструкции и должен максимально соответствовать современным требованиям.

Электропривод обрабатывающего центра представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники. Последнее десятилетие уходящего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники было освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) с встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления. Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления.

Исходя из указанных выше требований к электроприводу и современных технических возможностей, разработка и модернизация приводов обрабатывающих центров с использованием современных элементов, схем и разработок становятся в последнее время особенно актуальными.

1. Вертикальный обрабатывающий центр HX-300iF

1.1 Описание вертикального обрабатывающего центра модели HX-300iF

Настоящий станок представляет собой горизонтального обрабатывающий центр, скомпонованный электрической и механической частями как одна целая конструкция(рис. 1.1). Он разработан на базе вертикального обрабатывающего центра модели HX-300iF с учетом новейших достижений техники в станкостроении[1].

Для того, чтобы удовлетворить многообразные требования, при конструировании были обращены особые внимания на экономность энергопотребления, низкий уровень шума, повышенные скорость и мощность шпинделя, хорошую управляемость, рационализацию сбора смазочно-охлаждающей жидкости и стружки.

Что касается механической конструкции станка, для стабильной эксплуатации принят чугун, обладающий высокой стойкостью на старение. А в качестве направляющих вместо обычной стальной конструкции приняты подшипники линейного действия, что позволяет значительно сократить игру подвижных органов.

В системе смазки принят тип объемного распределения вместо обычного типа подачи масла по пропорциональному сопротивлению, что обеспечивает более стабильную смазку. В системе управления присутствует высоконадежное числовое программное управление с микропроцессором, а в механизме управления плоская выключательная панель.

Краткие технические характеристики Mycenter HX-300iF

Стол (паллетный механизм, 2 паллеты)

Размер стола: 305 х 305 мм

Размеры рабочей зоны: Ш500 Ч 560 мм

Перемещения по осям

Перемещения по осям X,Y,Z: 510 x 510 x 490 мм

Поворот стола (4-я ось): 0є - 360є (шаг: 0,001є)

Расстояние от поверхности стола до оси шпинделя: 40 - 550 мм

Шпиндель

Конус шпинделя: ВТ40

Скорость вращения шпинделя: 20 - 15'000 об/мин

Мощность привода главного движения: 13 кВт

Точностные параметры

Точность позиционирования на всей длине по всем осям: ± 0.002 мм

Повторяемость точности позиционирования по всем осям: ± 0.001 мм

Основные технические характеристики Mycenter HX-300iF

Стол

Размер стола: 305 х 305 мм

Размеры рабочей зоны: Ш500 Ч 560 мм

Максимальная равномернораспределенная нагрузка на стол: 250 кг

Шаг индексации поворота стола (4-я ось): 0,001 град

Перемещения по осям

Перемещения по осям X,Y,Z: 510 x 510 x 490 мм

Поворот стола (4-я ось): 0 - 360 град

Расстояние от поверхности стола до оси шпинделя: 40-550 мм

Расстояние от оси поворота стола до торца шпинделя: 100 - 590 мм

Шпиндель

Конус шпинделя: ВТ40

Скорость вращения шпинделя: 20-15000 об/мин

Четырёхступенчатая коробка скоростей

Мощность привода главного движения: 13 кВт

Максимальный крутящий момент на шпинделе: 157 Нм

Подача

Скорость быстрого хода X Y Z: 50 м/мин

Макс. скорость подачи при резании по всем осям: 50 000 мм/мин

Максимальная скорость поворота 4-й оси: 9000 град/мин

Паллетный механизм

Количество паллет: 2

Время смены паллет: 2,2 сек

Время поворота стола на 90 град: 0,45 сек

Зажимное усилие: 22500 Н

Устройство автоматической смены инструмента

Ёмкость инструментального магазина: 40 инструментов

Выбор инструмента: произвольный, двунаправленный

Тип инструментальных оправок: BT40

Максимальный диаметр устанавливаемого инструмента

при полностью заполненных ячейках: 95 мм

при не занятых рядом ячейках: 150 мм

Максимальная длина устанавливаемого инструмента: 300 мм

Максимальный вес устанавливаемого инструмента: 10 кг

Время смены инструмента: 1,7 сек

Время цикла "от обработки - до обработки": 5,0 сек

Точностные параметры

Точность позиционирования на всей длине по всем осям: ± 0.002 мм

Повторяемость точности позиционирования по всем осям: ± 0.001 мм

Система ЧПУ Kitamura-Fanuc 16iMВ

Основные функции

4 управляемые оси: X, Y, Z, B

Одновременное управление: 4 оси

Наименьшее программное приращение: 0,001 мм

Наименьший ввод приращения: 0,001 мм

Выбор формата данных дюйм/миллиметр (G20, G21)

Компенсация люфта ходовых винтов

Абсолютная система обратной связи

Макс. количество программируемых знаков ± 9

Программирование десятичной точки

Программирование в абсолютных/относительных величинах (G90, G91)

Ввод десятичной точки в виде калькулятора

Выбор сечения G17, G18, G19

Управление поворотными осями

М-коды - 3

S-коды - 5

Т-коды - 2

Пульт управления с жидкокристаллическим монитором 10,4"

Устройство хранения управляющих программ: 16 МБ

Стандартное оснащение станка

Шпиндель 20-15000 об/мин

Конвейер для удаления стружки

16-ти миллионноимпульсные датчики обратной связи

Инструментальный магазин на 40 позиций

Система двойного контакта оправки в шпинделе

Система ориентации шпинделя

Система продувки шпинделя воздухом

Система воздушно-масляной смазки пошипников шпинделя

Система масляного охлаждения шпинделя

Система жесткой фиксации инструментальных оправок в гнёздах

Оригинальная фирменная функция дежурного режима
системы смены инструмента

Функция произвольного двунаправленного выбора инструмента

Узел подачи СОЖ

Насос подачи СОЖ (1,2 кВт)

Ёмкость для СОЖ (300 л)

Защитный кожух (полностью закрытый)

Система автоматической смазки направляющих

Система подготовки сжатого воздуха (очистка, регулировка, смазка)

Гидравлическая станция с баком

Система динамического противовеса (гидроцилиндр)

Рабочее освещение

Сигнальная лампа окончания цикла обработки детали

Функция синхронизации вращения шпинделя и подачи для нарезания резьбы

Пользовательские М-функции (4 набора.: М20 - М23)

Набор для инсталляции станка

Набор установочных элементов

Переносной пульт управления

Панель управления (поворотная)

индикация состояния сети

индикация аварии

отображение скорости вращения шпинделя

отображение нагрузки на шпиндель

отображение номера инструмента

отображение номера ошибки

защита программ ключом

Кнопка ручной индексации инструментального магазина

Блокировка дверей

Кнопка аварийного отключения станка

Кнопка аварийного отключения инструментального магазина

Функция самодиагностики

Прочие характеристики

Требуемое давление сжатого воздуха: 6 бар

Расход воздуха: 410 л/мин

Класс загрязненности: №3 по ГОСТ 17433-80.

Размер твердой частицы: не более 10 мкм

Содержание посторонних примесей в виде твердых частиц: не более 2 мг/м3

Посторонние примеси в виде воды или масла в жидком состоянии не допускаются

Питание (3х фазное): 200 V, 25 кВА

Габаритные размеры станка:

длина: 3492 мм

ширина: 2932 мм

высота: 2940 мм

Масса станка: 9900 кг

1.2 Описание и анализ привода шпиндельной головки обрабатывающего центра

Шпиндельная головка

Расположена в середине стойки и состоит из корпуса головки, шпинделя, переключателя и главного электродвигателя постоянного тока.

Общий вес прибора 800 кг.

Корпус головки

В корпусе имеется зубчатая передача, состоящая из 5 колес, насаженных на 3 осях (ось электродвигателя, промежуточная ось и шпиндель). Она оснащена гидравлическим переключателем на два этапа скоростей, т.е. на высокоскоростной и низкоскоростной диапазоны. Окно с передней стороны покрыто бесцветной прозрачной упрочненной акриловой плитой толщиной 10 мм, что позволяет наблюдать за ней внутри корпуса.

Зубчатая передача и подшипники смазываются принудительно при помощи трохоидного насоса.

По специальному заказу также имеется устройство, осуществляющее охлаждение с наружной стороны подшипника шпинделя и смазку зубчатой передачи и подшипников при помощи холодильника типа уравнивающего с комнатной температурой

Шпиндель

Совместно с масляной рубашкой, подшипниками и зубчатым колесом образует узел и вставляется в корпус головки. На передней стороне приняты компаундные прецизионные радиально-упорные шарикоподшипники специального типа, разработанные для настоящего станка. Они смазываются консистентной смазкой.

Переключатель

Гидравлического двухступенчатого типа, имеющий высокоскоростной диапазон 876 - 3500 об/мин и низкоскоростной диапазон 15 - 875 об/мин.

Поскольку для передаточных соотношений (для высокой скорости 1:1 и низкой скорости 4:1) подобраны целые числа, точно управляются числа оборотов двигателя и шпинделя.

Применение электродвигателя высокоскоростного типа, поставляемого по специальному заказу позволяет получать высокую скорость в пределах 1126 - 4500 об/мин и низкую скорость в пределах 15 - 1125 об/мин. Следует отметить, что для центровки шпинделя разрешается вращать его при скорости 1 - 15 об/мин, хотя в этом случае происходит небольшое усиление колебаний.

Устройство зажима инструмента

Предназначено для зажима и разжима инструмента, вставленного в шпиндель. Зажим осуществляется тарельчатой пружиной (усилие захвата 1400 кг), встроенной в шпинделе, а разжим - гидравлическим цилиндром. В устройстве встроены датчики контроля зажима инструмента, наличия инструмента, останова шпинделя в определенном положении и ориентации шпинделя.

Ориентация шпинделя (Электронная)

Ориентация подключена к устройству управления главным двигателем. Она осуществляется при помощи магнита, непосредственно связанного со шпинделем, и датчика магнитного пучка. Она характеризуется быстродействием и стабильностью работы. Точность повторной остановки в определенном положении не более +0,5°.

Кнопочный выключатель освобождения инструмента

Предусмотрен на передней стороне шпиндельной головки и при нажатии на него освобождается инструмент с сопровождением продувки воздуха для очистки держателя инструмента. Следует быть осторожным при этом, чтобы не упал инструмент. Пока нажата кнопка, инструмент находится в свободном состоянии, а по освобождении кнопки восстанавливается состояние зажима.

1.3 Описание системы управления обрабатывающего центра

FANUC SYSTEM 6М MODEL В (СИСТЕМА 6М ФАНУК модель В) является системой ЧПУ-ЭВМ с фиксированным математическим обеспечением высокой точности и высокой производительности, разработанной с учетом нужд мирового рынка и предназначается для применения на фрезерных станках и в обрабатывающих центрах. В цепях управления используются быстродействующие микропроцессоры, больше интегральные схемы по специальному заказу, полупроводниковые запоминающие устройства в полной мере, и тем самым повышена надежность и значительно улучшено соотношение производительности к стоимости (рентабельность системы).

Данная система управления представляет собой устройство ЧПУ-ЭВМ типа замкнутого контура с использованием наиболее часто применяемых серводвигателей постоянного тока с наивысшим характеристиками в мере из серии FANUC DC Servo Motors, и с использованием в качестве датчиков импульсных кодирующих датчиков, резольверов или индуктосиновых шкал превосходной характеристики.

В самой системе FANUC SYSTEM 6M MODEL В предусмотрена функция самодиагностики, обеспечивающая весьма удобное техническое обслуживание системы с параллельным использованием настоящей инструкцией.

Микропроцессор постоянно контролирует внутреннее состояние действий и позволяет классифицировать внутреннее состояние ЧПУ и выводить его на индикацию. Кроме того, при наличии ненормальности или неисправности, выдавая сигнализацию сбоя, он останавливает ЧПУ. Подробное содержание возникшего сбоя классифицируется и указывается на индикации.

Все сигналы включения-выключения, входящие в ЧПУ и выходящие от ЧПУ, можно выводить на индикацию на ЭЛТ буквенно-цифрового дисплея.

Любые сигналы включения-выключения, выходящие от ЧПУ, можно передавать по битам посредством ручного ввода информации (РВИ).

Ныне установленные величины постоянной времени ускорения и замедления, скорости ускоренного перемещения и прочих параметров можно проверить на ЭЛТ буквенно-цифрового дисплея.

Минимальное задание - минимальная единица ввода команды перемещения в ЧПУ

Минимальное перемещение - минимальная единица управления, даваемого от ЧПУ на станки

Единица детектирования - минимальная единица возможности обнаружения положения рабочего органа станка

Множитель задания (CMR) - постоянная для согласования веса управляющих импульсов ЧПУ с весом импульсов от датчика

Множитель детектирования (DMR) - постоянная для согласования веса управляющих импульсов ЧПУ с весом импульсов от датчика

Минимальное задание, единица детектирования, CMR и DMR связаны друг с другом, как показано ниже.

Минимальное задание = CMR x единица детектирования

Единица детектирования = Величина перемещения на один оборот вала электродвигателя DMR x число импульсов от детектора на один оборот вала электродвигателя

Панель РВИ/ЭЛТ - это сокращенное название панели ручного ввода информации и дисплея на ЭЛТ. Данный пульт управления используется для ввода команд в ЧПУ и индикации состояния ЧПУ нажатием клавиш.

Параметр - значение, которое устанавливается для полной реализации функциональных характеристик станка с ЧПУ в максимальной мере, когда ЧПУ комбинируется со станком

Объяснения к блок-схемам (см. приложение 1):

1 Центральный процессор: С помощью программы и управляющих данных, записанных в ПЗУ типа ROM ЦП осуществляет управление каждым блоком через адресную шину и информационную шину.

2 Управление положением: Данный блок выдает потенциальный сигнал (по напряжению) управления скоростью таким образом, чтобы задаваемое от ЭВМ положение соответствовало машинному положению, детектируемому импульсами обратной связи от датчика.

3 Управление скоростью: Данный блок управляет скоростью вращения серводвигателя с использованием сигнала обратной связи от датчика таким образом, чтобы скорость вращения серводвигателя соответствовала заданной скорости.

4 Управление вводом/выводом: Данный блок управляет передачей данных для входных и выходных сигналов станка и панели РВИ с ЭЛТ.

5 Панель РВИ с ЭЛТ: Панель ручного ввода информации типа клавиатуры и дисплей для воспроизведения буквенно-цифровой информации на ЭЛТ.

6 Память на цилиндрических магнитных носителях: Данная память использует цилиндрические магнитные домены, так называемые "магнитные пузырьки", в качестве запоминающих элементов.

7 Запоминающая схема ПЗУ типа ROM (Постоянное Запоминающее Устройство):

Нельзя записать никаких данных в оперативном режиме в данное ЗУ. ПЗУ типа исключительно используется только для считывания, и он обычно хранит управляющие программы, постоянные и другие данные.

ОЗУ типа RAM (Запоминающее устройство произвольного обращения): Запоминающее устройство, в котором каждый элемент или ячейка может быть адресован в любой момент времени или "произвольно (at random)" без заранее предусмотренной последовательности. В данном ЗУ обеспечивается равенство времени доступа ко всем ячейкам, памяти.

8 Ручной генератор импульсов: Данный генератор градуирован 100 делениями на один оборот и генерирует импульсы вращением ручки. Он используется для тонкой регулировки подачи.

9 Устройство стыковки: Данное устройство управляет сигналами ввода-вывода «в» и «от» станка.

10 Адресная шина/информационная шина (шина данных): Эти шины служат маршрутами адресов и данных для ЗУ.

11 ЭЛТ (Электроннолучевая трубка): Обычно она называется кинескопом.

12 ШИМ (Широтно-импульсная модуляция): Она преобразует напряжение ошибки в ширину импульса.

13 Базовый счетчик: Он отсчитывает сигналов сетки.

14 ЦАП (Цифро-аналоговый преобразователь)

15 ЧН-преобразователь (Преобразователь частота-напряжение)

Основные компоненты

Таблица 1.1

Название	Сокращенное обозначение	№ чертежа	Краткие характеристики
Входное устройство		А14В-0061-В101	Для стойки самостоятельного типа Емкость плавкого предохранителя сервосистемы не более 30 А, для Японии
		А14В-0061-В102	Для стойки самостоятельного типа Емкость плавкого предохранителя сервосистемы не более 30 А, для экспорта
		А14В-0061-В103	Для стоек раздельных типов 1, 2 и блочного типа
		А14В-0061-В104	Для стоек самостоятельного типа и раздельного типа 2 Емкость плавкого предохранителя не более 40 А, общая для Японии и экспорта
Блок стабилизированного питания		А14В-006 1-В001 или А14В-0061-В002
Печатная плата управления ВКЛ/ ВЫКЛ питания (Прим. 1)		А20В-0007-0340	Блокировка дверцы Схема управления для ВКЛ/ВЫКЛ и внешнего ВКЛ/ВЫКЛ/ питания
Печатная плата стабилизации питания (Прим. 1)		А20В-1000-0030	Схема стабилизации питаний +5 В, ±15 В, +24 В
Ленточное считывающее устройство		А13В-0070-В001	Ленточное считывающее устройство без бобины
Главная печатная плата	А	А16В-1000-0030	ЦП, оперативная память типа RAM, управление положением на 3 оси
Плата ПЗУ типа ROM для управления	В	А16В-1200-0150	ПЗУ (ROM) для хранения управляющих программ и ПЗУ (ROM) для ПК модели А (по выбору)
Печатная плата управления панелью РВИ	L	А20В-0007-0030	Схема управления РВИ (9-дюймовый экран ЭЛТ)
		А20В-1000-0500	(14-дюймов. Цветной экран ЭЛТ)
Печатная плата клавиатуры РВИ		А20В-1000-0131	Схема переключателей данных, переключателей адреса и других переключателей (9-дюймов. экран ЭЛТ)
		А20В-1000-0510 А20В-1000-0380	" (14-дюймов. Цветной экран ЭЛТ) " "
Устройство стыковки	D	А20В-0007-0040 или А20В-0008-0540	Управление входными и выходными сигналами для станка Входные сигналы (DI) 96 наименований Контактный приемник 88 точек Бесконтактный приемник 8 точек Выходные сигналы (DO) 64 наименований Герконовые реле 52 точки Оптрон 12 точек
Печатная плата программируемого контроллера модели В (FANUC PC-MODEL В)	S	А20В-0008-0440	Схема управления для ПК-модели В FANUC PC-MODEL В) (по выбору)
Управление ин-дуктосином/ре-зольвером	N	А20В-0008-0461	Управление индуктосином/резольвером (по выбору)
Печатная плата ЭЛТ и интерфейса ввода-вывода	С	А20В-0008-0430 или А16В-1200-0170 или А16В-1200-0310	Схема управления РВИ с ЭЛТ Интерфейс ввода-вывода (FACIT, ASR, RS232C) (по выбору)
ТЭЗ управления 14-дюймовым цветным графическим дисплеем	G	А20В-1000-0480	Построение рисунков на 14-дюймовом экране графического дисплея
Блок питания 14-дюймового цветного графического дисплея		А20В-1000-0470
Печатная плата РСВ1 индикатора местоположения (схема управления индикацией)	J	А20В-0007-0411 А20В-0007-0412 (дли четырех осей)	Приемная схема передачи данных (по выбору)
Печатная плата РСВ2 индикатора местоположения (Индикаторы на светодиодах)		А20В-0007-0421 А20В-0007-0422 (для четырех осей)	Используется в комбинации с печатной платой РСВ1 индикатора положения для индикации на светодиодах
Блок управления скоростью: (Серия М) Для модели ООМ Для модели ОМ, 5М Для модели ЮМ, 20М Для модели ЮМ, 20М Для модели ЗОМ Для модели ЗОМ Для модели ЗОМН	А06В-6047-Н001 А06В-6047-Н002 А06В-6047-Н003
	А06В-6047-Н040 А06В-6047-Н004 А06В-6047-Н041 А06В-6047-Н005	С целью регенеративной разрядки самостоятельного типа
Управление дополнительной осью/аналогов. выход для шпинделя	Н		Четвертая ось	Пятая ось или аналогов. выход для шпинделя
		А20В-0007-0090	Импульсный кодирующий датчик	Импульсный кодирующий датчик
			м	Аналоговый выход для шпинделя
		А20В-0008-0470	Резольвер	"
		А20В-0008-0471	Индуктосин	"
		А16В-1200-0160	Резольвер	Резольвер/Индуктосин
		А16В-1200-0161	Индуктосин	"

обрабатывающий привод шпиндельный двигатель

Выводы по разделу 1

Данному вертикальному обрабатывающему центру необходима модернизация, так как привод шпиндельной головки является слабым местом, которое постоянно находится в эксплуатации. Привод шпиндельной головки содержит двигатель постоянного тока и коробку передач для переключения в низкоскоростной и высокоскоростной режимы.

Такая конструкция требует множество дополнительных условий для оптимальной работы и обеспечения максимальной долговечности.

Модернизация заключается в замене дорогостоящих двигателей постоянного тока на доступные и широко распространенные асинхронные двигатели переменного тока, работающие под управлением частотных преобразователей. Опытная эксплуатация станка показала полное соответствие асинхронного двигателя, оборудованного частотным преобразователем требованиям, предъявляемым к регулируемому приводу.

Модернизация привода проводится с учетом следующих требований:

· Органы управления станком не должны изменится.

· Время простоя станка в период пуско-наладочных работ должно быть минимальным.

· Замена привода постоянного тока на частотный преобразователь должен осуществляться с минимальными монтажными работами.

В результате представлено универсальное и в то же время эффективное решение, позволяющее в рекордно короткие сроки осуществлять восстановление работоспособности станочного оборудования путем замены привода постоянного тока на частотный привод переменного тока. Причем стоимость всей работы, включая материалы, конкурирует с приобретением соответствующего двигателя постоянного тока. Использование в станочном оборудовании cинхронных двигателей управляемых частотными преобразователями в качестве регулируемого привода имеет ряд важных преимуществ:

· Преобразователь частоты является полностью программируемым устройством, поэтому в процессе пуско-наладочных работ нет необходимости использовать дополнительное измерительное оборудование, что позволяет существенно сократить сроки модернизации приводов станочного оборудования.

· Преобразователь частоты не требует периодической подстройки параметров рабочего режима, в связи с отсутствием аналоговых подстроечных элементов.

· Преобразователь частоты имеет функции, позволяющие оптимально настроить работу асинхронного двигателя, тем самым повышается КПД привода, что приводит к снижению энергопотребления.

Для того чтобы подобрать оптимальный проведем обзор различных типов приводов.

2. Основные типы приводов и их описание

Привод - энергосиловое устройство, приводящее в движение машину или механизм [2]. Обычно состоит из источника энергии, передаточного механизма и аппаратуры управления. Источником энергии служит двигатель (тепловой, электрический, пневматический, гидравлический и др.) или устройство, отдающее заранее накопленную механическую энергию (пружинный, инерционный, гиревой механизм и др.). В некоторых случаях привод осуществляется за счёт мускульной силы (например, в ручных лебёдках, в некоторых счётных, бытовых и др. механизмах и машинах - арифмометрах, швейных машинах).

По характеру распределения энергии различают групповой, индивидуальный и многодвигательный привод. В групповом приводе движение от одного двигателя передаётся группе рабочих машин или механизмов через одну или несколько трансмиссий. Вследствие технического несовершенства групповой привод почти полностью вытеснен индивидуальным , в котором каждая рабочая машина имеет собственный двигатель с передачей. Такой привод позволяет работать при наиболее выгодной частоте вращения, производить быстрый пуск машины и торможение, осуществлять реверсирование. В многодвигательном приводе отдельные рабочие органы машины приводятся в движение самостоятельным двигателем через свою систему передач. Такой привод позволяет получать компактную конструкцию машины, применять автоматическое управление; он используется в сложных металлорежущих станках, прокатных станах, подъёмно-транспортных машинах и др.

По назначению привода машин разделяют на стационарный, т. е. установленный неподвижно на раме или фундаменте; передвижной, используемый на движущихся рабочих машинах; транспортный, применяемый для различных транспортных средств. В качестве стационарного привода наиболее распространён электропривод, в котором источником механической энергии является электродвигатель; на передвижных рабочих и транспортных машинах используются главным образом тепловые двигатели с непосредственной механической или электрической передачей. В производстве применяются также гидропривод машин и пневматический привод, в котором энергия вырабатываемого компрессором сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию пневмодвигателями.

Системы управления могут быть ручными, полуавтоматическими и автоматическими. При ручной системе все операции управления осуществляются аппаратами, непосредственно воздействующими на силовую цепь двигателя (рубильники, контроллеры, реостаты и др.) или на систему его питания, зажигания и т.д. При полуавтоматическом управлении непосредственное воздействие оказывается на специальные командоаппараты (кнопки, педали, командо-контроллеры, путевые и конечные выключатели и др.). Контакты командоаппаратов включены в маломощные вспомогательные цепи реле и контакторов, которые, в свою очередь, переключают силовые цепи двигателей без непосредственного участия человека. При автоматическом управлении начальный импульс для включения привода посылается механическим или электрическим реле или иными аппаратами (датчиками). В дальнейшем автоматическая работа системы поддерживается и контролируется электрическими, механическими, гидравлическими или другими аппаратами, а именно регуляторами, распределителями, фото- и термоэлементами, логическими, программными, телевизионными устройствами и т.д.

Автоматизация управления привода позволяет осуществлять регулирование скорости при заданной программе в функции пути, времени или нагрузки, регулирование ускорения и замедления, перераспределение нагрузки между приводами, точную остановку или реверс всех или отдельных приводов, защиту от перегрузки, разноса, неправильного начального положения и т.п. Применение автоматизации (даже частичной) увеличивает надёжность и точность работы привода, повышает производительность машин в целом, позволяет управлять приводом на расстоянии. В ряде случаев автоматизация привода диктуется условиями безопасности труда (нежелательностью пребывания людей в токсичной или пыльной среде, при работе с радиоактивными материалами и т.п.). Автоматизация управления привода даёт возможность перейти от индивидуального управления рабочими машинами к автоматическому управлению производственными агрегатами участками, цехами.

2.1 Электрический привод

Электропривод - совокупность устройств для преобразования электрической энергии в механическую и регулирования потока преобразованной энергии по определённому закону. Электропривод является наиболее распространённым типом привода [3].

Основные типы электропривода. По конструктивному признаку можно выделить три основных типа: одиночный, групповой и многодвигательный. Одиночный электропривод применяют в ручных машинах, простых металлообрабатывающих и древообрабатывающих станках и приборах бытовой техники.

Групповой, или трансмиссионный электропривод в современном производстве практически не применяется.

Многодвигательные - приводы многооперационных металлорежущих станков, мономоторный тяговый электропривод рельсовых транспортных средств. Кроме того, различают реверсивные и нереверсивные электроприводы, а по возможности управления потоком преобразованной механической энергии - нерегулируемые и регулируемые (в том числе автоматизированный с программным управлением и др.)

Электроприводы всех типов содержат основные части, имеющие одинаковое назначение: исполнительную и устройства управления.

Исполнительная часть состоит обычно из одного или нескольких электродвигателей и передаточного механизма - устройства для передачи механической энергии двигателя рабочему органу приводимой машины. В нерегулируемых электроприводах чаще всего используют электродвигатели переменного тока, подключаемые к источнику питания либо через контактор или автоматический выключатель, играющий роль защитного устройства, либо при помощи штепсельного разъёма (например, в бытовых электроприборах). Частота вращения ротора электродвигателя такого привода, а следовательно, и скорость перемещения связанного с ним рабочего механизма, изменяется только в зависимости от нагрузки исполнительного механизма. В мощных нерегулируемых электроприводах применяют асинхронные электродвигатели. Для ограничения пусковых токов между двигателем и источником устанавливают пусковые реакторы или автотрансформаторы, которые после разгона двигателя отключают. В регулируемых электроприводах чаще всего применяют электродвигатели постоянного тока, частоту вращения якорей которых можно изменять плавно, т. е. непрерывно, в широком диапазоне при помощи достаточно простых устройств управления.

В устройства управления входят: кнопочный пульт (для пуска и останова электродвигателя), контакторы, блок-контакты, преобразователи частоты и напряжения, предохранители, а также блоки защиты от перегрузок в аварийных режимах [4]. При питании от источника переменного тока, что характерно для электропривода, используемых в промышленности и на электроподвижном составе, двигатели которого питаются от сети переменного тока, в качестве преобразующих устройств применяют электромашинные или статические преобразователи электроэнергии - выпрямители. При питании от источника постоянного тока, что характерно для автономных электроэнергетических систем и электроподвижного состава, двигатели которого питаются от сети постоянного тока, преобразующие устройства выполняют в виде релейно-контакторных систем или статических преобразователей. В 70-е гг. 20 в. всё чаще и в регулируемых электроприводах стали применять трёхфазные асинхронные и синхронные двигатели, регулирование режимов работы которых осуществляют с помощью статических, в основном полупроводниковых, преобразователей частоты. Электроприводы со статическими преобразователями энергии, выполненными на базе ртутных или полупроводниковых вентилей, называются вентильными. Единичная мощность вентильных электроприводов переменного тока, используемых, например, для шахтных мельниц, достигает 10 Мвт и более.

Применение в электроприводах вентильных преобразовательных устройств позволяет решать наиболее экономичным образом задачу возврата энергии от электродвигателя источнику питания.

К важным показателям, определяющим характеристики устройств управления регулируемого электропривода, следует отнести плавность регулирования режима работы рабочего механизма, во многом зависящую от плавности регулирования приводного электродвигателя, и быстродействие. Релейно-контакторные устройства управления при сравнительно низком быстродействии обеспечивают ступенчатое (дискретное) регулирование режимов работы, быстродействующие статические системы - непрерывное регулирование.

В простейших электроприводах относительно небольшой мощности операции, связанные с регулированием режима работы исполнительного механизма, производят при помощи ручного управления. Недостатком ручного управления является инерционность процесса регулирования и вызываемое этим снижение производительности исполнительного механизма, а также невозможность точного воспроизведения повторяющихся производственных процессов (например, при частых пусках). Регулирование режимов работы исполнительных механизмов электропривода обычно осуществляют при помощи устройств автоматического управления. Такой электропривод называется автоматизированным, широко используется в системах автоматического управления (САУ). В разомкнутых САУ изменение возмущающего воздействия, например нагрузки на валу электродвигателя, вызывает изменение заданного режима работы электропривода. В замкнутых САУ благодаря связи между входом и выходом системы во всех режимах работы автоматически поддерживаются заданные характеристики, которые при этом можно регулировать по определенному закону. В таких системах находят все более широкое применение ЭВМ. Одной из разновидностей автоматизированного электропривода является следящий электропривод, в котором исполнительный орган с определённой точностью воспроизводит движения рабочего механизма, задаваемые управляющим органом.

По способу действия различают следящие электроприводы с релейным, или дискретным, управлением и с непрерывным управлением. Следящие электроприводы характеризуются мощностями от нескольких Вт до десятков и сотен кВт, применяются в различных промышленных установках, военной технике и др. В 60-е гг. 20 в. в различных областях техники нашли применение электропривода с числовым программным управлением. Такой электропривод используют в многооперационных металлорежущих станках, автоматических и полуавтоматических линиях.

Создание автоматизированного электропривода для обслуживания отдельных технологических операций и процессов - основа комплексной автоматизации производства. Для решения этой задачи необходимо совершенствование электропривода как в направлении расширения диапазона мощностей и возможностей регулирования, так и в направлении повышения надёжности и создания с оптимальными габаритами и массой.

2.1.1 Следящий электропривод

Следящий электропривод, следящая система, обеспечивающая воспроизведение некоторых механических перемещений на управляемом объекте посредством исполнительного электродвигателя.

Следящий электропривод включает в себя задающее устройство, измерительный преобразователь, орган сравнения, усилитель и исполнительный электродвигатель. Задающее устройство вырабатывает исходный сигнал (изменяющийся, как правило, по произвольному закону).

Измерительный преобразователь непрерывно измеряет фактическое значение воспроизводимой величины на управляемом объекте, которое при помощи органа сравнения сопоставляется с заданным. Обычно измерительный преобразователь и орган сравнения объединены в одном устройстве, вырабатывающем электрический сигнал рассогласования, пропорциональный разности между заданным и фактическими значениями воспроизводимой величины.

Сигнал рассогласования (в виде напряжения или тока) поступает на вход усилителя, а затем на исполнительный электродвигатель, осуществляющий такое движение управляемого объекта, при котором сигнал рассогласования уменьшается. В отсутствие сигнала рассогласования ротор электродвигателя находится в покое.

Различают следящие электроприводы с непрерывным и дискретным управлением.

Особенностью первого является непрерывное регулирование напряжения (мощности) исполнительного электродвигателя в функции сигнала рассогласования. В простейшем случае эта зависимость линейна. Следящий электропривод с дискретным управлением подразделяются на релейные и импульсные. В релейных следящих электроприводах в качестве усилителя используют бесконтактные реле, которые при определённой величине сигнала рассогласования включают исполнительный электродвигатель на полную мощность. В импульсных следящих электроприводах включение исполнительного электродвигателя осуществляется периодически, через определённые (равные) промежутки времени управляющими импульсами тока, амплитуда, длительность или частота которых являются функцией сигнала рассогласования.

В большинстве следящих электроприводов задаваемой величиной является угол поворота входного вала, а регулируемой - угол поворота выходного вала, с которым связан управляемый объект. В качестве измерительных преобразователей наибольшее распространение в таких устройствах получили потенциометры и индукционные машины переменного тока типа сельсинов или поворотных трансформаторов. Следящие электроприводы находят применение в различных системах управления, передачи информации и измерения.

2.1.2 Шаговый электропривод

Шаговый электропривод, электропривод, в котором источником механической энергии служит шаговый электродвигатель. Применяется в станках с программным управлением, в устройствах автоматики, связи и др.

2.2 Сервопривод

Самый точный, быстрый, надёжный тип привода [5]. Практически все производители автоматических трубогибов (в том числе и Soco Machinery) устанавливают сервоприводы на координаты "подача трубы" и "поворот в пространстве". На гибочную консоль, сервоприводы ставят не всегда, вследствие высокой стоимости, но в тех случаях, когда требуется максимальная скорость, точность, на станки для гибки намоткой и проталкиванием, минимальный уровень шума или же по причине индивидуальной непереносимости клиентом "гидравлики".

Для качественной и надёжной работы оборудования, сервомотор (как элемент сервопривода) следует выбирать среди известных Европейских или Японских производителей (например MITSUBISHI, YASKAWA). Среди основных преимуществ сервоприводов:

- Высокая скорость и точность позиционирования привода (менее +/-0,1°).

- Хорошая равномерность (плавность) гибки с ЧПУ-управлением как скоростью так и ускорением / торможением привода.

- Возможность использования редуктора (вместо цепной передачи) для передачи крутящего момента на гибочную консоль, что имеет ряд преимуществ.

Выводы по разделу 2

В данной главе мы рассмотрели различные типы приводов использующиеся в технике, в нашем случае используется электропривод наиболее распространенный в применении. Характеристики данного типа привода наиболее точно отвечают требуемым характеристикам. Электропривод не нуждается в частом обслуживании и дополнительных устройствах, обеспечивающих оптимальную работу, таких как система охлаждения и смазки. Для того чтобы в этом убедиться мы рассмотрим преимущества выбора электропривода перед остальными типами.

3. Типы двигателей для электроприводов

Для электроприводов применяются 3 типа двигателей [6]:

- двигатель постоянного тока

- двигатель переменного тока

- шаговый двигатель

Каждый из них имеет свои особенности и недостатки, что позволяет применять их в разных областях.

3.1 Двигатель постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой) [7].

Индуктор на рис. 3.1 состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.

Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине. Якорь состоит из сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.

Рис. 3.1 Конструктивная схема машины постоянного тока

Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

3.1.1 Способы управления двигателем постоянного тока

В качестве исполнительных двигателей систем автоматического управления используют в основном машины постоянного тока с независимым возбуждением.

Для регулирования угловой скорости ротора исполнительных двигателей постоянного тока используют два основных вида управления:

1) непрерывное - изменением во времени амплитуды напряжения;

2) импульсное - изменением времени, в течение которого к двигателю подводится номинальное напряжение.

Напряжением управления может быть напряжение на обмотке якоря (якорное управление) или на обмотке возбуждения главных полюсов (полюсное управление).

3.2 Двигатели переменного тока

Асинхронный двигатель имеет неподвижную часть, именуемую статором, и вращающуюся часть, называемую ротором. В статоре размещена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле.

Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.

В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Статор и ротор изготавливают из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.

Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.

3.2.1 Асинхронный двигатель

Асинхронный электродвигатель, электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую. Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля, ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю.

3.2.2 Синхронные двигатели

В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного двигателя постоянная при различных нагрузках. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компрессоры, вентиляторы).

В статоре синхронного электродвигателя размещается обмотка, подключаемая к сети трехфазного тока и образующая вращающееся магнитное поле. Ротор двигателя состоит из сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, намагничивающее ротор.

Роторы синхронных машин могут быть явнополюсными (с явновыраженными полюсами) и неявнополюсными (с неявновыраженными полюсами).

На рис. 3.2 изображен сердечник 1 явнополюсного ротора с выступающими полюсами. На полюсах размещены катушки возбуждения 2.

На рисунке 3.3 изображен неявнополюсной ротор, представляющий собой ферромагнитный цилиндр 1.

На поверхности ротора в осевом направлении фрезеруют пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения 2.

Рис. 3.2 Поверхность явнополюсного ротора

Рис. 3.3 Поверхность неявнополюсного ротора

Рассмотрим принцип работы синхронного двигателя на модели.



Рис. 3.4 Модель синхронного двигателя

Вращающееся магнитное поле статора представим в виде магнита 1. Намагниченный ротор изобразим в виде магнита 2. Повернем магнит 1 на угол б. Северный магнитный полюс магнита 1 притянет южный полюс магнита 2, а южный полюс магнита 1 - северный полюс магнита 2. Магнит 2 повернется на такой же угол б. Будем вращать магнит 1. Магнит 2 будет вращаться вместе с магнитом 1, причем частоты вращения обоих магнитов будут одинаковыми, синхронными, n2 = n1.

Синхронный двигатель, на роторе которого отсутствует обмотка возбуждения, называется синхронным реактивным двигателем.

Ротор синхронного реактивного двигателя изготавливается из ферромагнитного материала и должен иметь явновыраженные полюсы. Вращающееся магнитное поле статора намагничивает ротор. Явнополюсный ротор имеет неодинаковые магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям полюса. Силовые линии магнитного поля статора изгибаются, стремясь пройти по пути с меньшим магнитным сопротивлением. Деформация магнитного поля вызовет, вследствие упругих свойств силовых линий, реактивный момент, вращающий ротор синхронно с полем статора.

Если к вращающемуся ротору приложить тормозной момент, ось магнитного поля ротора повернется на угол и относительно оси магнитного поля статора.

С увеличением нагрузки этот угол возрастает. Если нагрузка превысит некоторое допустимое значение, двигатель остановится, выпадет из синхронизма.

У синхронных двигателей отсутствует пусковой момент. Это объясняется тем, что электромагнитный вращающий момент, воздействующий на неподвижный ротор, меняет свое направление два раза за период Т переменного тока. Из-за своей инерционности, ротор не успевает тронуться с места и развить необходимое число оборотов.

В настоящее время применяется асинхронный пуск синхронного двигателя. В пазах полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка.

Вращающее магнитное поле статора индуктирует в короткозамкнутой пусковой обмотке вихревые токи. При взаимодействии этих токов с магнитным полем статора образуется асинхронный электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения статорного поля, двигатель втягивается в синхронизм и вращается с синхронной скоростью. Короткозамкнутая обмотка не перемещается относительно поля, вихревые токи в ней не индуктируются, асинхронный пусковой момент становится равным нулю.

Достоинства и недостатки двигателей переменного тока

Достоинства:

- Высокие ресурсные показатели

- Низкая стоимость

Недостатки:

- Сложность в управлении

- Нелинейная зависимость момента от частоты

3.2.3 Способы управления двигателем переменного тока

Рассмотрим возможные способы регулирования скорости асинхронных двигателей (Рис. 3.1). Скорость двигателя определяется двумя параметрами: скоростью вращения

электромагнитного поля статора щ0 и скольжением s [8]:

(3.1)

Рис. 3.5 Классификация способов регулирования асинхронных двигателей

Принципиально возможны два способа регулирования скорости: регулирование скорости вращения поля статора и регулирование скольжения при постоянной величине щ0.

Скорость вращения поля статора определяется двумя параметрами: частотой напряжения, подводимого к обмоткам статора f1, и числом пар полюсов двигателя рп. В соответствии с этим возможны два способа регулирования скорости: изменение частоты питающего напряжения посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь статора двигателя (частотное регулирование), и путем изменения числа пар полюсов двигателя.

Регулирование скольжения двигателя при постоянной скорости вращения поля статора для короткозамкнутых асинхронных двигателей возможно путем изменения величины напряжения статора при постоянной частоте этого напряжения. Для асинхронных двигателей с фазным ротором, кроме того, возможны еще два способа: введение в цепь ротора добавочных сопротивлений (реостатное регулирование) и введение в цепь ротора добавочной регулируемой ЭДС посредством преобразователей частоты, включаемых в цепь ротора (асинхронный вентильный каскад и двигатель двойного питания).

В настоящее время благодаря развитию силовой преобразовательной техники созданы и серийно выпускаются различные виды полупроводниковых преобразователей частоты, что определило опережающее развитие и широкое применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Основными достоинствами этой системы регулируемого электропривода являются:

- плавность регулирования и высокая жесткость механических характеристик, что позволяет регулировать скорость в широком диапазоне;

- экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных.

Недостатками частотного регулирования являются сложность и высокая стоимость (особенно для приводов большой мощности) преобразователей частоты и сложность реализации в большинстве схем режима рекуперативного торможения.

Подробно принципы и схемы частотного регулирования скорости асинхронного двигателя рассмотрены ниже.

Изменение скорости переключением числа пар полюсов асинхронного двигателя позволяет получать несколько (от 2 до 4) значений рабочих скоростей, т.е. плавное регулирование скорости и формирование переходных процессов при этом способе невозможно.

Поэтому данный способ имеет определенные области применения, но не может рассматриваться, как основа для построения систем регулируемого электропривода.

3.2.4 Шаговые двигатели

Шаговые двигатели - это электромеханические устройства, преобразующие сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении без устройств обратной связи [9]. Современные шаговые двигатели являются по сути синхронными двигателями без пусковой обмотки на роторе, что объясняется не асинхронным а частотным пуском шагового двигателя. Роторы могут быть возбужденными (активными) и невозбужденными (пассивными).

Сфера применения шаговых двигателей: подача пленки и изменение масштаба изображения в камерах, факсимильные аппараты, принтерах, копировальные машины, лотки подачи и сортировщики бумаги, а также дисководы, автомобилестроение, светотехническое оборудование, теплотехника, станки с ЧПУ

Рис. 3.6 Шаговые двигатели

Выводы по разделу 4

В данной главе был проведен подробный анализ трех типов двигателей, которые наиболее часто используются при конструировании электроприводов, как для станков, так и для обрабатывающих центров и способов управления ими. Наиболее оптимальным в данном случае являются синхронные двигатели, потому что их характеристики и свойства полностью удовлетворяют наши характеристики при выборе двигателя. Также эти двигатели имеют невысокую стоимость при высоких ресурсных показателях, что крайне важно при осуществлении модернизации привода.

4. Расчет электромеханической части привода

4.1 Выбор электродвигателя

Выбор двигателя осуществляется с помощью программы MOTOR, разработанной на кафедре «Станки».

Исходные данные

= 10000 об/мин - максимальная частота вращения шпинделя; = 50 об/мин - минимальная частота вращения шпинделя;

= 11,9 кВт - максимальная мощность резания;

= 197 H•м - максимальный момент резания.

Расчётный диапазон регулирования частот вращения шпинделя:

(4.1)

Расчётная частота вращения шпинделя:

(4.2)

После рассмотрения ряда близких по своим характеристикам электродвигателей в качестве двигателя главного привода был выбран регулируемый электродвигатель переменного тока серии 132S/4A-21S фирмы-изготовитель BOSCH со следующими характеристиками:



Рис. 4.1 Двигатель BOSCH

Номинальная мощность: 12 кВт

Максимальная частота вращения: 9000 об/мин

Номинальная частота вращения: 1500 об/мин

Диапазон регулирования: 6

Расчетное число ступеней: 1.62

Масса электродвигателя: 115 кг

Основные размеры:

Габаритная длина L: 740

Длина вала двигателя l: 110

Ширина посадочного пояска T: 0

Диаметр посадочного пояска F: 0

Диаметр вала двигателя d: 42

Расстояние между осями крепежных винтов лап двигателя по длине L1: 0

Расстояние от фланца двигателя до оси крепежного винта лап двигателя b: 0

Габаритная высота двигателя H: 0

Высота оси вала двигателя h: 132