Усовершенствование станка с ЧПУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

станок привод электродвигатель

На производстве ради увеличения производительности, точности и чистоты обработки деталей применяются механизмы с числовым программным управлением. Таким, например, является станок ИР500МФ4. Внешний вид станка приведён на рисунке 1

Рисунок 1 - Внешний вид станка ИР500МФ4

Вращение шпинделю в таком станке передаётся от электродвигателя посредством двухступенчатой коробки скоростей. Частоту вращения шпинделя изменяют путём регулирования частоты вращения электродвигателя и с помощью коробки скоростей. Направление вращения шпинделя изменяют реверсированием электродвигателя. Приводами перемещений шпиндельной бабки по оси Y, стойки по оси Z и стола по оси X служат высокомоментные электродвигатели, соединённые муфтами с шариковыми винтами. Основным видом тягового устройства станков с ЧПУ является передача винт-гайка качения или шарико-винтовая передача. Эта передача используется в приводах подачи и позиционирования столов, суппортов и других подвижных узлов станков. Широкое применение передачи обусловлено высоким КПД, связанным с низкими потерями на трение, незначительным влиянием частоты вращения винта на силу трения, отсутствием осевого зазора и достаточно высокой жесткостью.

Задание движения подачи осуществляется с помощью программы блока ЧПУ. Для написания программы ЧПУ необходимо знать технические характеристики подачи, такие как максимальное ускорение стола с заготовкой, максимальная скорость подачи и быстрого хода, максимальная сила подачи стола и соответствующая её глубина и скорость резания, которые зависят от настроек системы автоматического регулирования (САУ) подачи стола и выбранных электродвигателя, комплектного электропривода и винта. Эти характеристики при расчете привода подачи должны быть не хуже требуемых в техническом задании.

1. Техническое задание

В данном курсовом проекте мне предлагается рассчитать привод продольной подачи станка ИР500МФ4 с передачей «винт-гайка» для растачивания плоскости, выбрать электродвигатель и комплектный привод, определить на модели его технические характеристики и качественные показатели. Материал обрабатываемого изделия -- чугун ковкий. Направление подачи -- растачивание. Основные параметры сверлильно-фрезерно-расточного станка необходимо выбрать по справочнику.

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

В техническом задании приведен станок ИР500МФ4. Основные параметры станка ИР500МФ4, взяты из [1]:

Размеры рабочей поверхности стола: 500х500мм.

Наибольшая масса обрабатываемого изделия: 700кг.

Наибольшее продольное перемещение стола: 500мм.

Наибольшее поперечное перемещение шпиндельной бабки: 800мм.

Наибольшее вертикальное перемещение консоли: 500мм.

Расстояние от оси шпинделя до рабочей поверхности стола: 0..500мм.

Расстояние от торца шпинделя до центра стола: 120..620мм.

Наибольший диаметр инструмента, загружаемого с пропуском гнезд: 160мм.

Частота вращения шпинделя: 21,2..3000об/мин.

Рабочие подачи: 1..2000мм/мин.

Наибольшая сила подачи стола 10кН.

Скорость быстрого перемещения: 8000..10000мм/мин.

Мощность электродвигателя привода главного движения: 14кВт.

Масса станка: 11370кг.

Для того чтобы характеристики привода подачи были не хуже требуемых в техническом задании, необходимо рассчитать привод при задании наихудших параметров цикла обработки. Поэтому зададим карту обработки и режим резания, соответствующим наибольшей нагрузки двигателя.

2. Задание режима резания и карты обработки

К элементам режима резания при фрезеровании относятся: глубина резания, скорость резания, сила резания, подача и ширина фрезерования. Глубину резания t выбирают в зависимости от припуска на обработку, мощности и жесткости станка. Подача при фрезеровании - это отношение расстояния, пройденного рассматриваемой точкой заготовки в направлении движения подачи, к числу оборотов фрезы или к части оборота фрезы, соответствующей угловому шагу зубьев. Толщина фрезерования B - величина обрабатываемой поверхности, измеренная в направлении, параллельном оси фрезы - при периферийном фрезеровании, и перпендикулярном к направлению движения подачи - при торцовом фрезеровании. Ширина фрезерования определяется наименьшей из двух величин: ширины обрабатываемой заготовки и длины или диаметра фрезы.

Для фрезерования вертикальной плоскости выбирается торцовая фреза со вставными ножами из быстрорежущей стали [1] по ГОСТ 1669-78.

Таблица 1 - Параметры фрезы по ГОСТ 1669-78:

Диаметр D, мм	160
Внутренний диаметр d, мм	50
Толщина фрезы В, мм	45
Число зубьев Z	16

Толщина срезаемого слоя t не влияет на выбор коэффициентов при расчете скорости и силы резания. Принимаем t равной 4,1мм.

Схема взаимных расположения фрезы и заготовки с учетом наибольших перемещений конфигурации выбранной фрезы приведена на рисунке 1.



Рисунок 2 -- Схема взаимных расположения фрезы и заготовки

Исходя из параметров станка и параметров выбранной фрезы, составлена карта обработки, приведенная на рисунке 3.

Рисунок 3 -- Карта обработки

Для построения желаемой механической характеристики необходимо рассчитать скорости и силы, возникающие при работе станка.

Скорость резания или окружная скорость фрезы V, м/мин, определяется по формуле

, (1)

,

где: C_v=41 - коэффициент, выбираемый по [1] для торцевых фрез со вставными ножами из быстрорежущей стали;

Т=180 - период стойкости фрезы, выбираемый по [1];

В=4,1мм - толщина снимаемой стружки;

S_z - 0,3мм - подача на один зуб фрезы;

t=106,67мм - ширина обрабатываемой поверхности, вычисляемая как D/(1,25..1,5);

Z=16 - число зубьев фрезы, выбираемое по [1] для торцевых фрез со вставными ножами из быстрорежущей стали;

q1, m1, x1, y1, u1, p1 - показатели степеней, выбираемые по [1] для торцевых фрез со вставными ножами из быстрорежущей стали;

K_v=1 - коэффициент, выбираемый по [1].

Частота вращения шпинделя (n, об/мин) рассчитывается по формуле:

, (2)

.

Сила резания (P_z) рассчитывается по формуле:

, (3)

,

где: C_р=82,5 - коэффициент, выбираемый по [1] для торцевых фрез со вставными ножами из быстрорежущей стали;

q2, x2, y2, u2, w2 - показатели степеней, выбираемые по [1] для торцевых фрез со вставными ножами из быстрорежущей стали;

K_mp=1 - коэффициент, выбираемый по [1].

Проекция силы резания на ось направления движения (P_h) рассчитывается:

, (4)

.

Момент критический на шпинделе (М_кр) рассчитывается:

, (5)

.

Эффективная мощность резания (N_эф) рассчитывается:

, (6)

.

Скорость подачи при фрезеровании:

, (7)

5. Построение диаграммы сил и механической характеристики

5.1 Предварительный расчет динамических параметров привода

Для выбора двигателя большое значение имеет время и путь разгона до скорости быстрого хода и рабочей скорости.

Принимая ускорение равным 3м/с² (а=3м/с²) и подставляя в миллиметрах в секунду (а=3000мм/с²) получим следующие параметры:

Скорость быстрого хода (v_бх):

, (8)

,

где: v_бп=10000мм/мин - скорость быстрого перемещения для данного станка.

Время разгона до скорости быстрого (t_рбх) хода:

, (9)

,

Время разгона до рабочей скорости (t_ррх):

, (10)

.

Путь разгона до скорости быстрого хода (S_рбх):

, (11)

.

Путь разгона до скорости рабочего хода (S_ррх):

, (12)

.

Путь, проходимый на скорости быстрого хода (S_бх):

, (13)

,

где S=500мм - полное перемещение детали.

Время движения на скорости быстрого хода (t_бх):

, (15)

.

Путь, проходимый на скорости рабочего хода (S_рх):

, (16)

,

Время движения на скорости рабочего хода (t_рх):

, (17)

.

5.2 Силы, действующие на привод

При движении шпиндельной бабки по вертикали следует учитывать следующие силы:

Сила трения скольжения при движении по направляющим (F_тр):

,

где: м=0,1 - коэффициент трения;

0,3 - коэффициент, связывающий силу тяжести и силу предварительного натяга;

m=1137кг - масса перемещаемого узла, принимаемого как 10% от массы станка;

g=9,81м/с² - ускорение свободного падения.

Динамическая сила (F_дин), действующая при разгоне привода:

,

.

Рабочая сила (F_раб), действующая при резании:

,

,

Зависимость скорости и силы от времени представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 -- Диаграмма сил

Для построения желаемой механической характеристики необходимо найти зависимость скорости от приложенной силы. Желаемая механическая характеристика приведена на рисунке 5.



Рисунок 5 -- Желаемая механическая характеристика

Карта задания скорости приведена рисунке 6

Рисунок 6 - Карта задания скорости

Для последующего выбора двигателя и расчета среднеквадратической силы необходимо рассчитать суммарные силы по участкам.

Расчет производится по формулам:

,

,

,

,

,

,

,

,

где: F₁=F₇ - участки разгона до скорости быстрого хода;

F₂=F₈ - участки движения на скорости быстрого хода;

F₃=F₉ - участки торможения со скорости быстрого хода;

F₄ - участок разгона до скорости рабочего хода;

F₅ - участок движения на скорости рабочего хода;

F₆ - участок торможения со скорости рабочего хода.

,

,

,

,

,

Среднеквадратическая (F_ск) сила рассчитывается по формуле:

,

6. Выбор параметров винта и определение передаточного отношения

Построенная механическая характеристика позволяет произвести приближенный выбор параметров винта, таких как шаг винта и динамическая грузоподъемность. В дальнейшем расчете эти параметры будут уточнены.

Необходима динамическая грузоподъемность винта, удовлетворяющая наибольшей силе подачи стола. При этом винт должен выдерживать максимальную нагрузку механической характеристики. По этим условиям выбираем винт диаметром d₀=40мм.

Далее выбирается шаг винта, который определяет передаточное число i передачи «винт-гайка». Передаточное число должно быть оптимальным, те должно выполняться соотношение, м/рад,

,

где: i_винт - передаточное отношение передачи;

J_дв - момент инерции двигателя, выбираемый по справочнику;

J_винт - момент инерции винта

m_б - масса шпиндельной бабки.

Момент инерции винта определяется по формуле, кг·рад·м²,

,

,

где: с_ст=7800кг/м³ - плотность стали;

l=750мм - длина винта, равная 1,5 максимального перемещения шпиндельной бабки;

Передаточное отношение (i_винт) определяем по формуле:

,

где: n_бх - частота вращения двигателя в оборотах в минуту (об/мин), необходимая для достижения скорости быстрого хода.

Частота вращения двигателя (n_бх) рассчитывается:

,

,

где: t_v=10мм - шаг винта.

Передаточное отношение равняется:

Момент двигателя (предварительный) определяется по формуле:



Для двигателя по [2] момент инерции вала равен 176·10^-4 кг·рад·м².

Наиболее подходит по соотношению приведенному моменту инерции винта и двигателя к массе шпиндельной бабки шаг винта 10мм при усреднённом диаметре 40мм, так как винты такого же диаметра, но с меньшим шагом имеют недостаточную грузоподъемность, а винты большего диаметра имеют заведомо большую массу и, следовательно, момент инерции.

Таблица 2 - Параметры выбранного винта:

Усредненный диаметр вала винта d0	40мм
Шаг винта р	10мм
Осевая жесткость винта С	620Н/мкм
Момент холостого хода	0,25Н·м
Динамическая грузоподъемность	30400

7. Выбор электродвигателя и комплектного электропривода

Первоначальным этапом расчета привода является выбор исполнительного двигателя. От правильного выбора двигателя зависит обеспечение всех технологических режимов обработки и необходимых динамических характеристик, а также конструкция механической части привода.

Исходными данными для выбора двигателя привода подачи служат: сила трения в опорах, направляющих и в передаче; передаточные отношения звена привода - передачи «винт-гайка»; масса перемещаемого органа привода вместе с деталью или инструментальным магазином; моменты инерции механических звеньев; КПД механических передач; скорости быстрого хода и установочных перемещений и диапазон рабочих подач; допустимые для механизмов ускорения и необходимое время переходных процессов, циклограмма нагрузки двигателя при работе механизма.

Таким образом, выбираем двигатель моментом большим приведенной среднеквадратичной силы, моментом в режиме S1, большим максимальной силы подачи стола 37,75Н·м, максимальной частотой вращения, большей частоты вращения, чем требуемая для развития скорости быстрого хода 1000 об/мин.

Этим параметрам удовлетворяет двигатель 2ДВУ215М.

Таблица 3 - Параметры двигателя 2ДВУ215М:

Напряжение номинальное Uн	110В
Момент номинальный Мн	47 Н·м
Момент инерции J	176 кг·рад·м2
Номинальная частота вращения двигателя nном	500об/мин

Так как возбуждение двигателя осуществляется постоянными магнитами, то магнитный поток менять нельзя, поэтому выбирается управление по напряжению на обмотке якоря.

Для этого выбираем комплектный привод со следующими параметрами.

Т

аблица 4 - Параметры блока питания:

Напряжение питания входное	380±38 В
Напряжение выходное выпрямленное	520±52 В
Ток номинальный	50 А
Ток максимальный	75 А

Таблица 5 - Параметры блока управления

Напряжение питания входное	520±52 В
Ток номинальный	25 А
Ток максимальный	50 А

8. Моделирование в среде «Vissim»

Оценку качества управления процессом металлообработки целесообразно выполнять методом математического моделирования в программе «Vissim». Данная оценка проводится по показателям качества при переходных процессах, которые возникают при изменении управляющих и возмущающих воздействий. Управляющим воздействием в электроприводах по системе «управляемый преобразователь-двигатель» является задающее напряжение, в зависимости от которого происходит пуск, торможение и реверс двигателя. Возмущающим воздействием, в частности, является изменение по величине или направлению действия (знаку) момента статических сопротивлений.

Структурная схема электропривода с отрицательной обратной связью по скорости в относительных единицах приведена на рисунке 6.

Рисунок 7 -- Структурная схема электропривода

Из «рисунка 7» видно, что данных электропривод состоит из регуляторов скорости и тока (РС, РТ), тиристорного преобразователя (ТП), якорной цепи (ЯЦ) и двигателя (Д). Регуляторы скорости и тока предназначены для регулирования скорости и тока по оптимальному закону. Звенья «Якорная цепь» и «Двигатель» реализуют реальный двигатель вместе со всей механической частью привода с учетом его электромагнитной и механической инерционности.

Для моделирования необходимо перевести параметры электропривода в относительные единицы и выбрать для этого базовые величины.

Таблица 6 - Выбор базовых величин

Величина	,	, , , ,			, , , ,
База	Uном	Мк.з.	0	Iк.з.	U =0,8Uу
Значение	110В	442,34Нм	66,5рад/с	267,37А	12 В

Для этого определим другие необходимые параметры двигателя. Мощность на валу двигателя определяется по формуле

,

.

Ток двигателя номинальный определяется по формуле

,

.

Активное сопротивление обмотки якоря определяется по формуле

,

.

Ток короткого замыкания равен

,

.

Момент короткого замыкания равен

,

.

Номинальный магнитный поток двигателя равен:

Скорость холостого хода двигателя равна

,

.

Базовое перемещение стола

,

.

Найдем постоянные времени и коэффициенты, необходимые для настройки системы. Механическая постоянная двигателя равна

,

.

Электрическую постоянную времени якоря (Т_я) принимаем на два порядка меньше, чем механическая (Т_я=2,8^.10^-5с).

Постоянная времени преобразователя () при частоте ШИМ равной 4 кГц равна 0,00025с, а постоянная времени фильтра (Т_ф) в 4 раза больше и равна 0,001с.

Настройка контура регулирования тока, то есть определение постоянных времени Т₃, Т₄ произведена по общепромышленной методике. Постоянную времени регулятора тока Т₄, с принимаем

.

Постоянная времени Т₃ по общепромышленной методике равна Т_я, но так как постоянная времени фильтра значительно больше, то Т₃=Т_ф=0,001с.

Аналогично настроен контур регулирования скорости. Т₁ равна Т_м, а Т₂ равна (2..4) Т₄. Коэффициент регулятора скорости К_РС равен

,

Т₂ = 0,001 с, К_РС = 2

Таким образом, настроив модель, необходимо задать возмущающие воздействия, какими являются изменение силы резания и трения. Момент трения двигателя равен 10% от номинального момента двигателя и равен 4,7 Н·м. Момент трения механизма складывается из момента холостого хода шарико-винтовой пары и момента силы трения стола о направляющие.

Построенная модель является двухмассовой системой, соединенной упругой связью с вязкостью. Теперь настроив параметры модели можно просмотреть результаты.

9 Результаты

Механическая характеристика привода приведена на рисунке 8.

Рисунок 8 -- Уточнённая механическая характеристика привода

Карта задания скорости (уточнённая) приведена на рисунке 8, а на рисунке 9 соответственно представлен профиль поверхности детали, образующейся при расчётном режиме резания и использовании проектируемого привода подачи.

Рисунок 9 - Уточнённая карта задания скорости

Рисунок 10 - Профиль обрабатываемой поверхности

На «рисунках 7 - 10» обозначены скорость быстрого хода и рабочая скорость, сила резания, максимальная динамическая сила, перебег и шероховатость. Полученные значения отличаются и от предварительных и от требуемых. Погрешности рассчитываются по формулам

,

,

где: А - абсолютная погрешность;

е - относительная погрешность;

Х_тр - требуемое значение величины;

Х_расч - полученное значение величины.

Характеристики привода представлены в таблице 7

Таблица 7 - Сравнительные характеристики привода

Величина	Требуемые значения	Полученные значения	Абсолютная погрешность	Относительная погрешность
Скорость быстрого хода	10000мм/мин	10043,18мм/мин	43,18	0,43%
Скорость рабочего хода	343,45мм/мин	344,9мм/мин	1,45	0,42%
Сила резания	10000Н	9000Н	1000	10%
Перебег - 6,39мм
Точность поддержания скорости - 0,04мм
Класс шероховатости - 4

Заключение

Спроектированный привод подачи станка ИР500МФ4 полностью удовлетворяет требованиям задания по скорости (быстрого хода и рабочей), а отклонение по силе резания не превышает требуемого. Класс шероховатости полностью удовлетворяет требованиям черновой обработки. При задании режимов обработки следует обратить внимание на резонанс на низких частотах. В целом спроектированный электропривод удовлетворяет требованиям технического задания.

Библиографический список

1 Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. С74 Т. 2/Под редакцией А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. -4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. 496 с., ил.

2 Москоленко В. В. Электродвигатели специального назначения. - М.: Энергоиздат, 1981. 104 с., ил.

3 Усынин Ю. С. Системы управления электроприводов/ Уч. пособие. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2001. - 358с., ил.

Размещено на Allbest.ru