Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Привод подачи фрезерного станка

Введение.

В своем курсовом проекте я выбрала для рассмотрения фрезерный станок с числовым программным управлением (ЧПУ), который предназначен для обработки плоских и пространственных деталей сложной формы.

Свойство устройства ЧПУ осуществлять и многократно повторять точное позиционирование подвижного органа станка в заданной координате позволяет кроме фрезерования производить сверление, зенкерование, развертывание и растачивание отверстий, а также нарезание резьбы в отверстиях, что значительно расширяет технологические возможности фрезерных станков с ЧПУ.

Конструкции фрезерных станков с ЧПУ различаются по расположению шпинделя (горизонтальное или вертикальное), по числу координатных перемещений стола или фрезерной бабки, по числу используемых инструментов и способу их установки на станке (вручную или автоматически).

Фрезерные станки с ЧПУ (по сравнению с традиционными фрезерными станками) обладают следующими преимуществами: более чем в 3 раза повышается производительность обработки; сокращается производственный цикл обработки и время на подготовку производства, так как отпадает необходимость в изготовлении специальной дорогостоящей оснастки (шаблонов, копиров, специальных приспособлений и инструментов); отпадает необходимость в трудоемкой ручной доработке деталей, а в отдельных случаях и в их доводке.

1. ЗАДАЧА КУРСОВОГО ПРОЕКТА:

Проектирование и расчет системы стабилизации частоты вращения электропривода (ЭП) производственного механизма, работающего в заданном диапазоне регулирования с допустимой статической ошибкой.

Рис. 1- Кинематическая схема механизма продольной подачи стола станка

На рис.1 приняты следующие условные обозначения: М – двигатель, СМ – муфта, Р – редуктор, i=6 , РО – рабочий орган(непосредственно сам стол).

Рис. 2- Общая схема стола станка

N – номер варианта

h-высота=150мм

Таблица 1 - Исходные данные

Диаметр ходового винта:
Шаг ходового винта за минуту:
Коэффициент передачи редуктора:
Диапазон регулирования скоростей:
Максимальная частота вращения:
Статическая точность:
Плотность стали:

Найдем ширину и длину стола из соотношений

Отсюда объем стола

А масса стола

Рис.3 - Общий вид трехкоординатного вертикально-фрезерного станка с ЧПУ

2. Описание промышленной установки

На рис.3 представлен вертикально-фрезерный консольный станок с ЧПУ модели 6М13ГН-1. Станок имеет три координаты перемещения рабочих органов по числовой программе: X – продольное перемещение стола, Y – поперечное перемещение салазок со столом и Z – вертикальное перемещение пиноли. Особенностью этого станка, как и других станков с ЧПУ, является наличие устройства ЧПУ (7), соединенного кабельными связями (6) со станком и шкафов силовой электроаппаратуры (1). Стол станка (8) и ползун (2) перемещаются во взаимно перпендикулярных направлениях X и Y ходовыми винтами от двигателей подач. На вертикальных направляющих ползуна (2) смонтирована фрезерная головка (3), в шпинделе (9) которой закрепляется фреза (4). Фрезерная головка (3) перемещается вертикально по направлению оси Z ходовым винтом от соответствующего двигателя. Пульт управления (5) станком служит для выполнения пусковых операций и работы в наладочном режиме.

Основные технические данные станка модели 6М13ГН-1.

Размеры рабочей поверхности стола, мм

длина 3200

ширина 1600

Пределы частоты вращения шпинделя, об/мин 1,5 – 1800

Величины программируемых перемещений

по координатам

продольное X, мм 900

поперечное Y, мм 320

вертикальное Z, мм 80

Скорости подач по координатам

X,Y, мм/мин 0 – 1330

Z, мм/мин 0 – 640

Масса стола, кг 6782,4

Масса обрабатываемой детали, кг до 75

Подача за импульс, мм 0,01

Мощность ЭД главного привода, кВт 7,5

Тип устройства ЧПУ ПФСТЭ–12–500

Программоноситель-с магнитная лента

3. Анализ кинематической схемы, определение и проектирование расчетной схемы механической части электропривода

Механическая часть электропривода (ЭП) состоит из движущейся части электродвигателя, редуктора и рабочего органа. Приведенная схема наглядно отражает то положение, что механическая часть ЭП представляет собой систему связанных масс, движущихся с различными скоростями вращательно и поступательно. При нагружении элементы системы деформируются, так как механические связи не являются абсолютно жесткими. При изменениях нагрузки массы имеют возможность взаимного перемещения, которое при данном приращении нагрузки определяется жесткостью связи.

Для анализа движения механической части ЭП осуществляется переход от реальной кинематической схемы к расчетной, с которой массы и моменты инерции движущихся элементов и их жесткости, а так же силы и моменты, действующие на эти элементы, заменены эквивалентными величинами, приведенными к одной и той же скорости.

Большинство реальных кинематических схем механической части ЭП в результате выполнения операций приведения сводятся к одной из трех расчетных систем: одномассовой, двухмассовой, трехмассовой. Одномассовая система или жесткое приведенное механическое звено соответствует механической части без зазора содержащей абсолютно жесткие недеформируемые элементы. Расчетная схема одномассовой системы изображена на рис.1.3, а ее движение описывается выражением

где J=Jдв+Jпр – суммарный момент инерции,

J – момент инерции двигателя,

J – момент инерции привода.

При J=const уравнении движения имеет вид

Для наиболее характерного режима работы ЭП, когда двигатель создает движущийся момент, а исполнительный орган – тормозящий, уравнение движения принимает вид

Процесс перехода к расчетным схемам обычно называют приведением, а сами величины приведенными. Обычно оказывается удобным и целесообразным осуществлять приведение к скорости электродвигателя. Это бывает в тех случаях, когда параметры системы таковы, что влияние упругих связей незначительно, или при решении задач, в некоторых с этим влиянием можно не считаться, механическая часть представляется простейшей расчетной схемой, не учитывающей влияние упругих связей, – жестким приведенным звеном. В этих случаях многомассовая механическая часть ЭП заменяется одной эквивалентной массой с моментом инерции JΣ, на которую воздействуют электромагнитный момент двигателя м и суммарный приведенный к валу двигателя момент нагрузки Мс.. Момент нагрузки Мс включает в себя все внешние силы, приложенные к механической системе, кроме момента двигателя М.

В случае приведения к валу двигателя суммарный приведенный момент инерции ЭП JΣ может быть выражен общей формулой

JΣ = Jдв + Jмуф + Jред + mΣρ2 (1.1)

где Jдв – момент инерции ротора двигателя,

Jмуф – момент инерции муфты,

Jред – момент инерции редуктора,

mΣ – суммарная масса стола станка и обрабатываемой детали,

ρ – радиус приведения.

Фрезерованию присуща та особенность, что вращающийся относительно неподвижной оси инструмент – фреза – имеет несколько режущих лезвий зубьев, каждое из которых снимает стружку лишь в течении небольшой доли оборота фрезы, а затем вращается вхолостую.

Рассчитаем силу, с какой фреза действует на заготовку

Выберем любую фрезу из быстрорежущей стали с параметрами

В = 15 мм – ширина фрезерования,

z = 24 – число зубьев фрезы,

d = 200 мм – диаметр фрезы,

S = 0,6 мм – подача на зуб фрезы,

t = 15 мм – глубина фрезерования,

CF = 80 – коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала, охлаждения фрезы и вида обработки

XF = 0,83; YF = 0,65; i = -1 – коэффициенты, зависящие от обрабатываемого материала, охлаждения фрезы и вида обработки.

Обрабатываемый материал – серый чугун. Фреза охлаждается концентратом жидкости смазочно – охлаждающей ЭК3.

Тогда получим

= 9,81 * 80 * 150,83 * 0,6*0,65 * 15 * 24 * 200-1 = 9598 Н

найдем из следующего выражения

= 0,4

= 0,4 * 9,598 = 3840 Н

При определении нагрузки двигателя подачи рассматривают отдельно два характерных режима: трогания с места и рабочую подачу.

При трогании с места усилие подачи рассчитывается по формуле

где – коэффициент трения,

g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения,

mΣ = mСТ + mД = 6857,4 кг – масса стола и детали,

β = 0,5 Н/см2 – удельное усилие прилипания,

= – площадь поверхности прилегания направляющих стола, взаимотрущихся с направляющими салазок.

Тогда

= 0,25 * 9,81 * 6857,4 + 0,5 * 8640 = 21137 Н

При движении с установившейся скоростью

= k * + Mg (g * mΣ + + ),

где Mg = 0,1 – коэффициент трения,

k = 1,2 ÷ 1,5 – коэффициент запаса,

= 0,4 = – составляющая усилия резания в направлении подачи.

Подставим эти значения в формулу

= 1,4 * 3840 + 0,1 (9,81 *6857,4 + 3840 + 9598) = 13446,9 Н

Момент на валу ходового винта стола

= tg(α + φ) (3.5)

где dср = 34 мм – средний диаметр ходового винта,

α – угол наклона резьбы ходового винта,

α = arctg

где t = 18,4 мм – шаг нарезки ходового винта,

φ = 0,5° – угол трения резьбы, град.

Найдем α:

α = arctg = 2,92

Вычислим момент на валу ходового винта стола при трогании с места

= tg(0,5 + 2,92) = 13,42 Н·м

А теперь момент при движении с установившейся скоростью

= tg3,42= 20,07 Н·м

Рассчитаем статический момент на валу двигателя подачи при трогании с места

= (3.7)

где j = 1 – передаточное число редуктора,

= 0,88 – КПД передачи.

= = 15,25 Н·м

Найдем статический момент на валу двигателя при движении с установившейся скоростью

= = 22,8 Н·м

При выборе двигателя ориентируются на наибольший статический момент из двух режимов.

Для фрезерного станка характерны 4 участка:

движение и обработка с пониженной скоростью,
обработка детали с рабочей скоростью,
движение и обработка с пониженной скоростью,
обработка детали с рабочей скоростью в обратном направлении.

В установившемся режиме при прямом ходе стола в процессе резания статический момент на валу двигателя

=22,8 Н·м

Усилие трения при обратном ходе стола из формулы (3.3)

=21137 Н

Коэффициент загрузки при обратном ходе стола

= (3.8)

= = 1,6

КПД передачи при обратном ходе стола:

= -1 (3.9)

где α = 0,07÷0,1 – коэффициент, принимаем α = 0,07.

= -1=0,109

В установившемся движении при обратном ходе стола статический момент на валу двигателя

= = 139,9 Н·м

3.2 Предварительный выбор двигателя по мощности

Для стола фрезерного станка статическая мощность двигателя рассчитывается по следующей формуле

= (3.11)

где – максимальная скорость прямого хода, м/с,

– тяговое усилие, Н.

Тяговое усилие на столе рассчитывается по следующей формуле

= + =27374Н.

Теперь рассчитаем статическую мощность

= = 414 Вт

Мощность электродвигателя предварительно рассчитывается исходя из статической нагрузки и режима работы электропривода.

Для электроприводов, работающих в длительном режиме с неизменной нагрузкой мощность двигателя принимается равной

где – статическая мощность механизма,

– коэффициент запаса мощности,

k = 1,09÷1,35,

– КПД передачи.

= = 636 Вт

При однозонном регулировании за максимальную скорость следует принять номинальную скорость двигателя, так как регулирование производится вниз от основной. При имеющемся редукторе скорость двигателя для обеспечения v = 1,33 м/мин должна быть равна = 1000 об/мин.

Из справочника (3) выбираем двигатель серии 4ПФ160МУХЛ4 с номинальными данными:

= 1,4 кВт

= 2 кВт

= 440 В

= 1000 об/мин

= 3000 об/мин

= 78%

= 0,046 кг·м2

При выборе необходимо также учитывать и момент, поэтому мы выбираем двигатель 4ПФ160МУХЛ4 = 1,4 кВт. Это связанно с тем, что только двигатель с такой мощностью обладает нужным моментом.

Определим номинальную угловую скорость двигателя

= (3.14)

= = 188,4 рад/с

Определим номинальный момент двигателя

= = 7,43 Н·м

Выбор функциональной схемы проектируемой системы

Необходимо реализовать следующую функциональную схему:

Рисунок 2 – Функциональная схема

Здесь:

УСП – управляемый силовой преобрзователь;

ДПТ – двигатель постоянного тока(Wэм,Wмех);

ДС – датчик обратной связи по скорости(тахогенератор);

ДТ– датчик обратной связи по току;

РС – регулятор скорости (ПИД регулятор);

РТ – регулятор тока.

В нашей работе применена система подчиненного регулирования, так как разбили задачу регулирования на ряд частных задач: управление током, управление скоростью.

Сущность данной системы в том, что каждый внутренний контур подчинен внешнему. В нашем случае, мы имеем 2 контурную систему. С помощью датчика скорости (тахогенератора) создается обратная связь по скорости (внешний контур). А также мы имеем обратную связь по току (внутренний контур).

Для начала нам необходимо выбрать элементы данной системы и рассчитать передаточные функции всех элементов электропривода.

На рис.4.1. приведена функциональная электрическая схема СУ ЭП ЭПУ1-2П. Она содержит: двигатель постоянного тока (ДПТ) со встроенным тахогенератором ВR; ТПЯ – реверсивный ТП напряжения цепи якоря двигателя с трехфазной системой импульсно-фазового управления СИФУ; L сглаживающий реактор; ЗС – задатчик скорости.

Система управления ЭП одноконтурная с ПИ-РС и управляющим органом (УО) с отрицательной обратной связью (ООС) по току. Она содержит: РС – регулятор скорости; УЗТ – узел зависимого токоограничения; НЗ – нелинейное звено; ФПЭ – функциональный преобразователь ЭДС двигателя; ПХ – переключатель характеристик; ЛУ – логическое устройство; УО – управляющий орган; БЗ – блок защиты; ДТ, ДПВ – датчики тока и проводимости вентилей (тиристоров).

На вход РС подается напряжение задания скорости Uз,с с ЗС или с аналогового выхода устройства числового прграммного управления УЧПУ через R2, напряжение ООС по скорости uc с тахогенератора ВR через R4, R5 и напряжение установки нуля скорости двигателя с резистора R3. Uз,с подается разной полярности для реверсирования двигателя. Это обеспечивают реле К1 («вперед») и К2 («назад»), контакты которых подают напряжение к ЗС соответствующей полярности и через БЗ деблокируют РС. В ЭП принят ПИ – РС с ограничением выходного напряжения UРС резистором R8, что обеспечивает ограничение максимального значения выпрямленного напряжения преобразователя Ud max = E + ImaxR, определяющего максимальную установку тока якоря двигателя Imax = (Ud – E)/R.

С выхода РС напряжения uрс поступает на НЗ, которое подает напряжение управления током двигателя uу,т на ПХ и сигнал задания направления тока uз,н,т (направление вращения двигателя) на ЛУ.

В ЭП осуществляется зависимое нелинейное токоограничение с помощью УЗТ, обеспечивающего снижение установки тока ограничения в функции скорости (напряжения uc, поступающего с ВR через делитель R6, R7.

Ограничение максимально возможного выброса тока при пуске двигателя обеспечивает ФПЭ, включенный в цепь положительной обратной связи по скорости, формирующей переходный процесс скорости двигателя. Сигнал ФПЭ подан на НЗ, на выходе которого формируется напряжение управления ТПЯ uу,п = kНЗuРС + uЭ, где kНЗ – коэффициент усиления НЗ; uЭ – сигнал ПОС по скорости, пропорциональный ЭДС двигателя и сформированный ФПЭ. ФПЭ имеет арксинусную характеристику (uФПЭ = arcsin ), с помощью которой формируется напряжение управления преобразователя uу,п, точно компенсирующее изменение ЭДС преобразователя, имеющего нелинейную характеристику (Еп = Епоsinα). Поэтому в переходных процессах ток двигателя, равный I = (Eп – Ед)/ R, поддерживается постоянным независимо от скорости.

В схеме значение uэ выставляется резистором R9 так, чтобы среднее значение UРС при номинальной скорости двигателя на холостом ходу было ближе к нулю. Тогда UРС становится пропорциональным току двигателя и поэтому ограничение его уровня резистором R8 обеспечивает ограничение максимального выпрямленного напряжения, которое определяет максимальное значение тока якоря двигателя.

При правильной настройке uэ диаграмма тока двигателя при пуске близка к прямоугольной. При недокомпенсации (uэ мало) с ростом скорости ток спадает, а при перекомпенсации (uэ велико) ток растет.

НЗ и ФПЭ с резистором R9 образуют адаптивное устройство линеаризации характеристик ТПЯ в режиме прерывистого тока. НЗ имеет нелинейную характеристику и представляет собой усилитель с переменным коэффициентом усиления, который при малом сигнале управления повышает коэффициент усиления СУ ЭП, компенсируя этим повышение эквивалентного сопротивления цепи якоря R'э в режиме прерывистых токов. При этом НЗ имеет характеристику, обратную характеристике ТПЯ в режиме прерывистого тока, т. е. коэффициент усиления НЗ (kНЗ) обратно пропорционален коэффициенту усиления ТПЯ (kПЯ), а коэффициент передачи ФПЭ имеет зависимость kФПЭ = arcsin (Ед/Ед,ном), что компенсирует действие внутренней ООС по ЭДС двигателя Ед. С помощью такого адаптивного устройства обеспечивается постоянство коэффициента усиления ТПЯ в режимах прерывистого и непрерывного токов.

ТПЯ управляется от трехканальной СИФУ, сигнал управления на которую подается от УО, где устанавливаются углы управления αнач, αmin, αmax и сигнал управления суммируется с сигналом ООС по току, поданным через резистор R10. Для согласования реверсивного управляющего сигнала НЗ с нереверсивной регулировочной характеристикой УО служит ПХ, управляемый ЛУ. ЛУ обеспечивает раздельное управление катодной и анодной группами ТПЯ. Оно осуществляет выбор нужной группы в зависимости от знака Uз.с, определяющего направление (знак) тока двигателя Uзн, т, переключает группы на бестоковом интервале по сигналу ДПВ, обеспечивая переключение импульсов управления с одной группы тиристоров на другую сигналом разрешения Uр, и формирует задержки по времени в момент снятия импульсов с работающей ранее группы и подачи их на вступающую в работу группу.

Конструктивно элементы ЭП расположены на трех платах с печатным монтажем, установленных в стандартной кассете БУК-б и соединенных с общей схемой разъединительными клеммными соединителями. На платах расположены силовые элементы ТПЯ (силовая плата), элементы СУ ТПЯ: СИФУ, УО, ЛУ, ФИВ (плата управления ПУ1), элементы РС, НЗ, ПХ, УЗТ, ФПЭ, элементы защиты БЗ и элементы датчиков ДТ и ДПВ (плата управления ПУ2).

ТПЯ представляет собой два трехфазных управляемых выпрямительных моста, включенных встречно-параллельно и работающих по принципу раздельного управления. Каждый мост выполнен на тиристорах. Для защиты тиристоров от перенапряжений использованы цепи RC. Для повышения помехоустойчивости управляющий переход тиристора шунтируется резисторами (4,7 кОм). Для защиты тиристоров от перегрева в охладитель ТПЯ встроен терморезистор (6,8 кОм).

В ЭП предусмотрены следующие электрические защиты: нулевая от исчезновения напряжения силовой цепи (питающей сети) и от снижения напряжения цепи управления; максимально-токовая от коротких замыканий; время-токовая от перегрузки двигателя; температурная от перегрева преобразователя, от обрыва цепи тахогенератора; от неправильного чередования фаз сети управления; от блокирования регулятора скорости и сигнала задания.

При срабатывании соответствующей защиты БЗ транзистором VT1 осуществляется блокирование выхода РС, в УО обеспечивает максимальный угол управления αmax и в СИФУ сигналом Uз запрещает подачу управляющих импульсов на тиристоры ТПЯ, а также зажигает светоизлучающий диод, сигнализирующий о работе защиты (на схеме показан).

Разработку математической модели автоматизированного электропривода начнем с описания объекта управления, к которому отнесем преобразователь, двигатель и механизм подачи.

Уравнение равновесия напряжений для якорной цепи без учета падения напряжения под щетками можно записать

где RЯЦ – сопротивление якорной цепи двигателя, Ом;

LЯЦ – индуктивность якорной цепи, Гн;

i – ток якоря, А;

е – ЭДС якоря, В;

U – напряжение, подводимое к якорю, В;

ЭДС якоря описывается следующей зависимостью

где кФ – конструктивная постоянная двигателя, В·с;

w – угловая скорость якоря, рад/с.

Электромагнитный момент двигателя определяется следующим образо

Поскольку электродвигатель ПБСТ-42МУХЛ4 имеет постоянные магниты, то магнитный поток в воздушном зазоре без учета якоря во всех случаях постоянный Ф = const.

Движение электропривода описывается следующим уравнением

где JΣ – суммарный момент инерции электропривода, кг·м2.

Положение рабочего органа и угловая скорость якоря связаны между собой уравнением

Силовой преобразователь, питающий электродвигатель можно упрощенно представить, как апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией

где τ – постоянная времени преобразователя, с;

β – коэффициент усиления преобразователя.

Постоянная времени для шестифазного преобразователя определяется следующим образом

где Т1 – период питающего напряжения, Т1 = 20 мс.

Коэффициент усиления преобразователя при опорном косинусоидальном сигнале

Перейдя от уравнений (5.1) – (5.5) к операторным составим математическую модель объекта управления в виде структурной схемы, которая показана на рисунке 5.1.

Рис. 5.1

Номинальный ток якоря

Рассчитаем сопротивление якорной цепи исходя из того, что потери в якоре составляют ~ 50% от всех потерь

Ом

Определение структуры и параметров управляющего устройства

Управляющее устройство построим по принципу подчиненного регулирования с тремя контурами: тока, скорости и положения. Определение параметров управляющего устройства начинаем с внутреннего контура. Контур регулирования тока якоря, в котором пренебрегаем влиянием внутренней обратной связью по ЭДС, показан на рисунке 5.2. А пренебрегаем потому, что

ТМ ≥ 4Т,

0,1 ≥ 4·0,0082 = 0,0328.

Коэффициент обратной связи по току

При оптимизации контура тока по модульному оптимуму передаточная функция регулятора тока будет иметь вид

Принимаем Т1 = Т = 0,0082 с. Тогда передаточная функция замкнутого контура имеет вид

После оптимизации передаточная функция контура тока примет вид

В результате расчета регулятор тока будет иметь следующие параметры

Коэффициент обратной связи по скорости

При оптимизации контура скорости по симметричному оптимуму передаточная функция регулятора скорости будет иметь вид

Передаточная функция замкнутого контура скорости имеет вид

Т3 = 8 · τ = 8 · 0,0065 = 0,052 с

После оптимизации передаточная функция контура скорости примет вид

В результате расчета регулятор скорости будет иметь следующие параметры

Далее оптимизируем контур положения, который показан на рисунке 5.4.

Коэффициент обратной связи по положению

Для оптимизации контура положения по модульному оптимуму на входе контура скорость необходимо установить фильтр с передаточной функцией

Передаточная функция замкнутого контура положение имеет вид

Следовательно

В результате расчета регулятор положения будет иметь следующие параметры

Общая структурная схема представлена рис.5.5.

Привод подачи фрезерного станка

Выбор функциональной схемы проектируемой системы