Модернизация токарного станка с ЧПУ модели 16К20 с целью повышения надежности и автоматизации станка

СОДЕРЖАНИЕ





	ВВЕДЕНИЕ	5

	1 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЕКТИРУЕМОГО ОБЪЕКТА	8

	2 устройство и работа проектируемого объекта	10

	2.1 Принцип работы электропривода  «Размер 2м?5?21»	10

	2.2 Характерные неисправности и недостатки проектируемого объекта	11

	3 технологические основы металообработки	12

	3.1 Общие положения	12

	3.2 Выбор новой автоматической инструментальной головки	14

	4 расчет электропривода токарно-винторезного станка с чпу модели 16к20	15

		4.1	Расчет требуемой мощности электродвигателей	15

	4.1.1 Расчет мощности и выбор электропривода продольной подачи	15

	4.1.2 Расчет мощности и выбор электропривода поперечной  подачи	18

	4.2 Выбор типа электродвигателей приводов подач	20

	4.2.1 Расчёт параметров двигателя продольной подачи	20

	4.2.2 Расчёт параметров двигателя поперечной подачи	25

	4.3 Построение нагрузочной диаграммы и тахограммы для двигателя продольных подач	27

	4.3.1 Расчёт режимов работы двигателя	29

	4.3.2 Расчёт участков нагрузочной диаграммы и тахограммы продольных подач	33

	4.3.3 Расчёт  участков нагрузочной диаграммы и тахограммы привода поперечных подач	37

	4.3.4 Проверка двигателя методом средних потерь	38

	4.4 Структура и принцип работы низковольтного преобразователя на  IGBT транзисторах	40

	4.5 Выбор частотного преобразователя	45

	4.5.1 Расчёт элементов преобразователя частоты	46

	4.5.2 Обоснование выбора	53

	5 АНАЛИЗ ПРОЕКТИРУЕМОГО ОБЪЕКТА	54

	5.1 Построение механической характеристики	54

	5.2 Анализ переходных процессов	61

	5.3 Расчет и выбор коммутационных аппаратов, силовых кабелей, защиты и автоматики	66

	5.4 Расчёт и выбор автоматического выключателя	68

	5.5 Моделирование привода продольных подач с использованием пакета MatLab (Simulink)	71

	6 МЕРОПРИЯТИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ	79

	6.1 Электробезопасность	79

	6.2 Пожарная безопасность	81

	6.3 Общие требования безопасности	83

	6.3.1 Общие положения	83

	6.3.2 Требования охраны труда перед началом работы	85

	7 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ	87

	7.1 Определение затрат на содержание электрооборудования	87

	7.2 Технико-экономические показатели модернизации	94

	ЗАКЛЮЧЕНИЕ	95

	СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	96

	ПРИЛОЖЕНИЯ	97























ВВЕДЕНИЕ





Токарно-винторезный станок с ЧПУ модели 16К20 предназначен для токарной обработки наружных и внутренних поверхностей деталей типа тел вращения со ступенчатым и криволинейным профилем различной сложности в один или несколько проходов в замкнутом полуавтоматическом цикле и нарезание крепежных резьб[3]. Область применения станка является индивидуальное, мелкосерийное и серийное производство с мелкими повторяющимися партиями деталей[13].

Из-за изменения машиностроения в России уменьшилось количество выпускаемых станков с  ЧПУ, но развитие малых предприятий, которые неспособны приобрести дорогостоящее автоматизированное оборудование, вынуждены проводить модернизацию старого оборудования. 	Изменения в области электрических приводов с системами тиристорного управления, а также в области автоматизации управления привели к повышению объема задач, решаемых системами электрического управления станками, что позволило расширить их технологические возможности.

На данный момент заводы электропромышленности для станков выполняют комплектные поставки систем электроприводов и устройств автоматического управления в виде законченных комплексных устройств, разрабатываемых организациями и заводами тяжелого станкостроения[5].

В большинстве случаев в металлорежущих станках механизмы имеют индивидуальные электродвигатели. Подобные решения упрощают кинематику передачи и конструкцию станка.

Закупка новых станков не выгодна предприятиям  в условиях нынешней экономической обстановки. Модернизация обеспечит при относительно небольших затратах расширение технологических возможностей станка, увеличит надежность, точность и применение различных приспособлений[16]. 

Актуальность выбранной темы заключается в том, что  большинство станков, которые находятся в эксплуатации, выпускались заводом «Красный Пролетарий» ещё 1973 году. В 1989 станок был снят с производства, а срок службы станка составляет 10 лет, поэтому модернизация выгодна предприятиям, так как позволит иметь в своей структуре станки, с достаточно большим разнообразием выполняемых ими методов обработки, при минимальных капитальных вложениях. 

Цель:  модернизация токарного станка с ЧПУ модели 16К20 с целью повышения надежности и автоматизации станка.

Сущность модернизации станочного оборудования заключается в проведении ревизии и реставрации (замены) всех механических узлов. Модернизация станка с ЧПУ модели 16К20 позволит выполнить следующие технические решения:

Внесение эффективных изменений на производстве.

Повышение производительности станка.

Повышение точности обработки деталей.

Повышение надежности и безопасности станков.

Сокращение финансовых расходов.

Предлагаемые технические решения должны позволить сократить потери рабочего времени, связанные с переналадкой и повысить производительность работы станка. 

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

Исследовать особенности токарного станка с  ЧПУ модели 16К20.

Произвести расчет электропривода станка, выбрать электропривод и двигатели для продольной и поперечной подачи, построить нагрузочные диаграммы и тахограммы двигателей.

Выбрать частотный преобразователь.

Проанализировать проектируемый объект, построить и проанализировать переходные процессы.

Рассчитать затраты на модернизацию для определения технико-экономических показателей.                                              

	Методологической основной исследования стали научные труды отечественных ученных в области машиностроения, энергетики и экономики. Для исследования был применен теоретический метод: анализ и обобщение научной литературы и нормативно-технической документации для получения необходимых знаний и данных о токарном станке с ЧПУ модели 16К20. 

	В расчетной части были использованы методы  расчета электропривода поперечной и продольной подачи, для выбора новых двигателей,  расчет параметров двигателей, для расчета нагрузочных диаграмм и тахограмм продольной и поперечной подачи. 



































1 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЕКТИРУЕМОГО ОБЪЕКТА





Токарные станки предназначены для обработки деталей наружных и внутренних поверхностей деталей типа тел вращения со ступенчатым и криволинейным профилем различной сложности в один или несколько проходов в замкнутом полуавтоматическом цикле и нарезание крепежных резьб[3]. Обработка может производиться по внешней и внутренним поверхностям с получением цилиндрических, конических, сложных форм по продольной оси заготовки или заданной формы на плоскости. Процесс обработки характеризуется вращательным движением обрабатываемой заготовки или режущего инструмента. Эти станки сняты с производства в 1989 году, но большинство из них еще находятся в эксплуатации. Примером предприятий, на котором установлены работоспособные станки модели 16К20, могут служить Нерюнгринский ремонтно-механический завод, множество золотодобывающих и алмазодобывающих предприятий. За это время оборудование выработало свой ресурс, как по механической части, так и по электрооборудованию. Участились поломки системы управления привода электродвигателя главного движения и привода подач. Внешний вид станка представлен на рисунке 1.



Рисунок 1 – Общий вид токарного станка с ЧПУ модели 16К20[3]



Техническая характеристика станка. 

Наименование: Станок токарно-винторезный с числовым программным управлением (ЧПУ). 

Обозначение модели: 16К20, где 1- группа токарных станков; 6 – винторезный станок; К- завод изготовитель «Красный Пролетарий»; 20 – 200  мм от оси шпинделя до направляющих станины [16]. 

Назначение: обработки деталей наружных и внутренних поверхностей деталей типа тел вращения со ступенчатым и криволинейным профилем различной сложности в один или несколько проходов в замкнутом полуавтоматическом цикле и нарезание крепежных резьб

Область применения: Мелкосерийное и серийное производство.

Вид климатического исполнения по ГОСТ 15150—69: УХЛ 4. 

Станки могут выпускаться с различными устройствами ЧПУ, в исполнении для встраивания в гибкие производственные модули (ГПМ) [11]. Основные данные и технические характеристики токарно-винторезного станка представлены в приложении А.

























2 устройство и работа проектируемого объекта





2.1 Принцип работы электропривода  «Размер 2м?5?21»



Работа асинхронного электропривода основана на принципе частотно?токового управления (рис.2). Такое управление позволяет получать глубокое регулирование угловой скорости при высоких динамических показателях. При частотно?токовом управлении в обмотки электрической машины вводятся токи, мгновенные значения которых определяются требуемым значением электромагнитного момента и угловым положением ротора машины. Для этого на вход привода подаются два независимых входных сигнала, задающих токи в обмотках и обеспечивающих не только регулирование момента, но и возможность устанавливать требуемый поток намагничивания и реактивный ток преобразователя [11].



Рисунок 2 — Функциональная схема электропривода типа "Размер 2М?5?2"



	Выполненный на этом принципе асинхронный глубокорегулируемый комплектный электропривод "Размер 2М?5?21" предназначен для токарных станков с программным управлением [11]. 



2.2 Характерные неисправности и недостатки проектируемого объекта



При  эксплуатации станка 16К20 с глубокорегулируемым асинхронным электроприводом «Размер 2М?5?21» выявляются характерные неисправности и недостатки в системе управления привода подач, в полумосте инвертора КС12 схемы трехфазного регулятора тока:

большой уровень радиопомех;

большой уровень электромагнитных помех;

плохая надежность самого полумоста;

обязательный подбор транзисторов (6 штуки КТ839) в мосте (± 80мВ);

обязательный подбор полумостов между собой в приводе подач (2 штук на фазу);

малое быстродействие самого полумоста;

плохое качество используемых радиокомпонентов (микросхемы, транзисторы, конденсаторы СК50?16)[6].



























3 технологические основы металообработки





3.1 Общие положения



Металлорежущие станки предназначены для обработки металла путем снятия стружки. Они обеспечивают изготовление деталей требуемой формы с заданными точностью размеров и шероховатостью поверхности. Обработка может производиться при помощи одного или нескольких инструментов [9].

По степени универсальности и в зависимости от характера производственного процесса различают станки универсальные, специализированные и специальные. Универсальные станки предназначены для обработки деталей широкой номенклатуры и могут выполнять ряд операций. Специализированные станки служат для обработки деталей, сходных по конфигурации, но имеющих различные размеры. Специальные станки предназначены для обработки деталей одного типоразмера.

Имеется также вид производственных систем называемых "гибкими автоматизированными производствами". Гибкое автоматизированное производство — это группы металлорежущих станков, оснащенных общей системой управления и транспортирования и обеспечивающих технологический цикл серийного выпуска деталей, их контроль и складирование. Современное гибкое автоматизированное производство представляет собой многономенклатурную автоматическую линию, укомплектованную станками с ЧПУ и управляемую от ЭВМ [4].

Для придания детали требуемой формы и размеров в станках производят перемещение режущей кромки инструмента относительно заготовки. Такое перемещение может быть разделено на главное движение, за счет которого происходит резание металла, и на движение подачи, за счет которого снимают новый слой металла. Для наладочных операций, подвода и отвода инструментов, установки и закрепления заготовки станки имеют вспомогательные движения, которые не участвуют в процессе резания и формообразования.

В результате мы должны знать цель автоматизации процессов металлообработки, физические основы процесса стружкообразования при основных видах металлообработки, уметь использовать на практике математическое описание процессов резания и их структурные схемы. Необходимо обратить особое внимание на технические требования к  электроприводам станков и научиться выбирать комплектные электроприводы механизмов станков [9].

Металлорежущий станок, на котором производится процесс резания, является технологическим объектом управления. Основными технологическими процессами металлообработки являются точение, расточка, строгание, сверление, фрезерование и шлифование [9].

	Точение (рис. 3.1. а) осуществляется на токарных станках за счет вращения обрабатываемого изделия 1 (главное движение) и перемещения резца 2 (движение подачи).

В процессе обработки происходит износ инструмента h, который можно разбить на три периода (рис. 3.1,б): I — приработка, II — нормальный и III — усиленный износ, заканчивающийся "посадкой" (затуплением) инструмента.



Рисунок 3.1 — Схема токарной обработки (а) и график износа инструмента (б)



Износ h0 , при котором общий срок службы инструмента получается наибольшим, а расход наименьшим, называют оптимальным. Оптимальный износ обеспечивает минимальную стоимость инструмента, отнесенную на одну деталь.



3.2 Выбор новой автоматической инструментальной головки



Инструментальная головка модели УГ 9326 сильно устарела. Автоматическая смена инструмента занимает много времени, так как инструментальный диск может вращаться только в одну сторону. Новые модели автоматических головок лишены такого недостатка, поэтому выбрана автоматическая головка BTP?100 Pragati (рис.3.2). 







Рисунок 3.2 — Внешний вид автоматической головки BTP?100 Pragati



Данная автоматическая головка обладает высокой оперативностью и более низким весом, что позволит уменьшить вес суппорта. Кроме того она не требует изменений конструкции суппорта, имеет те же размеры что и устаревшая головка УГ 9326, что позволяет произвести замену без каких либо дополнительных расчётов.

	Характеристики инструментальной головки BTP?100 Pragati приведены в таблице 3.1.





Таблица 3.1 — Характеристики инструментальной головки BTP?100 Pragati



Время индексации для 8 позиций

45° — 1,8сек



90° — 3,2сек



180° — 6,4сек

Точность повторного позиционирования

160 мкм

Общая масса (без инструментального диска)

91кг



Выбор новой инструментальной головки позволит увеличить выпуск производимой продукции за счёт уменьшения времени на вспомогательные операции. 

Так как был изменён вес суппорта необходимо произвести выбор новых двигателей подач.





4 расчет электропривода токарно-винторезного станка с чпу модели 16к20





Расчет требуемой мощности электродвигателей



4.1.1 Расчет мощности и выбор электропривода продольной подачи

Для выбора мощности ЭД необходимо рассчитать силы, которые действуют на заготовку и режущий инструмент. На рисунке 4.1 представлен схематический процесс обработки с размещением сил резания.





Рисунок 4.1 — Схематический процесс обработки



Для расчета необходимой мощности привода продольной подачи необходимо посчитать нагрузки в предельных режимах резанья.

Фактическая мощность ЭД определяется по формуле (1):



                                                  ,                                       (1)



где— номинальная частота вращения ЭД; — суммарный момент сопротивления перемещению, приведенный к валу двигателя, Н ? м.

Величина момента Мz рассчитывается по формуле (2):



                                                      ,                                              (2)



где Fv— тяговая сила, необходимая для преодоления сил полезного сопротивления, Н; hs— шаг винта.

Сила Fv определяется по формуле (3):



                                                  ,                                       (3)



где Kп — коэффициент, учитывающий влияние опрокидывающего момента, который возникает вследствие несимметричного приложения силы подачи, для суппортов горизонтально — расточных станков принимаем Кп=1.1; Pz — составляющая сила резания, действующая в направлении подачи, Н; Fc— сила трения в направляющих:



,                                               (4)



где Qc — вес суппорта(5), f = 0,01 приведенный коэффициент трения, Py, Pz— составляющие силы резания (Н), определяются по предложенным режимам резания базового ТП.



                                             Qc =mc?g                                                       (5)

Qc =150?9,84=1471,5 (Н).



Рассчитаем силы резания по формуле (6):







где t — глубина резания, t = 0,02 м; s — подача, s = 2,8 (мм/об); Cp, x, y, n — постоянные коэффициенты и показатели степени для расчетных условий, которые соответственно равны: 339; 0,5; 0,55; 0,5; Kp — поправочный коэффициент, учитывающий фактические условия обработки, Kp = 1,1; v — скорость резания, v = 3,8 (м/мин).

Осевая сила резания составляет:



.



Тангенциальную Pz и радиальную Py составляющие силы резания определяем из соотношения:



Px: Py: Pz= 1: 0,4: 0,25, отсюда Pу=0,96 кН; Pz= 0,6  (кН).



Таким образом, необходимая тяговая сила составляет:







Необходимый расчётный момент сопротивления, приведенный к валу двигателя:







Рассчитанное значение момента используем для определения серии ЭД.

Расчетное значение требуемой мощности на валу ЭД:







4.1.2 Расчет мощности и выбор электропривода поперечной  подачи



Фактическая мощность ЭД определяется по формуле (7):



                                                                                                 (7)



где— номинальная частота вращения ЭД; — суммарный момент сопротивления перемещению, приведенный к валу двигателя, Нм.

Сила Fv определяется по формуле (8):



                                                      ,                                          (8)



где Kп— коэффициент, учитывающий влияние опрокидывающего момента, который возникает вследствие несимметричного приложения силы подачи, для суппортов горизонтально — расточных станков принимаем Кп=1.1; 

 Pz— составляющая сила резания, действующая в направлении подачи, Н;



Qc=150?9,84=1471,5 (Н).



Принимаем f = 0,01 приведенный коэффициент трения; Py, Pz — составляющие силы резания Н, определяются по предложенным режимам резания базового ТП.

Рассчитаем силы резания по формуле (8):

s = 1,4(мм/об);  Kp = 1,1; v = 1,9 (м/мин).

Осевая сила резания составляет:



.



Таким образом, необходимая тяговая сила составляет:







Необходимый расчётный момент сопротивления, приведенный к валу двигателя:







Рассчитанное значение момента используем для определения серии ЭД.

Расчетное значение требуемой мощности на валу ЭД:







В настоящее время в качестве электропривода подач  поперечного и продольного движения металлорежущего токарно?винторезного станка с ЧПУ используется асинхронные двигатели 4АХБ2П100. Данные двигатели полностью больше не удовлетворяют требованиям технологического процесса и требуют замены. В своей работе в качестве двигателя предлагаю выбрать FR?A540. Двигатели этой серии отличаются от установленных на станке электродвигателей серии 4А лучшими показателями, а именно: меньшими габаритами, сниженным уровнем шума и вибрацией, увеличенными пусковыми моментами, повышенной надежностью.

Улучшенные качества двигателей данной серии достигнуты благодаря применению в магнитопроводах лучшей электротехнической стали с меньшими удельными потерями и большей магнитной проницаемостью, использованию новых нагревостойких и высокопрочных материалов для электрической изоляции обмоток.

Исходя из выше написанного, выбираем в качестве приводного двигателя продольной подачи двигатель FR-A540 1,5K, в качестве приводного для поперечной подачи FR-A540 1,0K.

	Электродвигатель главного привода целесообразно заменить на MPl32M (N = 11кВт при 1000—3500 об/мин). Выходные параметры на шпинделе у электродвигателя серии MPl32M и серии 4АХБ2П100 примерно аналогичны. 

	Электродвигатели серии MPl32M предназначены для приводов главного движения механизмов и станкаов. Также данный электродвигатель подходит по техническим условиям и условиям эксплуатации.



4.2 Выбор типа электродвигателей приводов подач



4.2.1 Расчёт параметров двигателя продольной подачи



Номинальные данные для расчета электродвигателя серии FR?A540 1,5K, представлены  в таблице 4.1.



Таблица 4.1 — Номинальные данные двигателя FR-A540 1,5K

Мощность 

Напряжение питания, В

Частота напряжения 

Частота вращения, об/мин

КПД, ?н

1,5

380

50-60

500

90,0

Максимальная частота вращения, 

Момент инерции ротора электродвигателя, 

Номинальный момент,



Диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя, 

Окончание таблицы 2

Максимальная частота вращения, 

Момент инерции ротора электродвигателя, 

Номинальный момент,



Диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя, 



4,2

21



Коэффициент мощности 

Кратность пускового тока, 

Перегрузочная способность,



0,89

7,5

2,2



Для анализа работы электропривода необходимо определить:

Частоту вращения магнитного поля или синхронную скорость.

Число пар полюсов.

Скольжение при номинальной нагрузки.

Номинальный вращающий момент.

Активную мощность двигателя.

Номинальный и пусковой токи статора.

Пусковой и номинальный моменты при номинальном напряжении.

Пусковой и максимальный моменты двигателя при снижении напряжения сети на 10%.

Число пар полюсов двигателя определяем из следующего соотношения (10):



                                                    ,	                                         (10)



где	 — синхронная скорость двигателя,  об/мин;	  – число пар полюсов.

Число пар полюсов определяется по формуле (11):



                                                     .                                           (11)





Определим скольжение в номинальном режиме работы двигателя по формуле (12):

                                                  








.                                       

Критическое скольжение определяем по формуле (13):







Определим критическое скольжение по формуле (13):







КПД двигателя определяется (14):



                                                             	  	                      	  (14)



Из (14) выразим  (15):  





.

                                                           	                                           (15)



Определим мощность:







Номинальная мощность двигателя определяется по формуле (16):





 .                                                      		                      (16)



Выразим из формулы (16) ток и получим  формулу (17):







Определим ток (А):







Пусковой ток определяется по значению его кратности определяем по формуле (18):





 .                                                                                                              (18)



Из формулы (18) выразим , получим (19):





 .                                                                                                         (19)



Получим:







Пусковой момент  определяется по его кратности (20):





                        

По (20) определим пусковой момент:







Максимальный момент  тоже определяется по его кратности (21):

                                                

                                                  	                                    (21)



По (21) определим максимальный момент:







Определим пусковой ток при снижении напряжения сети на 10% по формуле (22):



 .                                                  	                                  (22)



Находим пусковой ток:







Определим пусковой и максимальный момент при снижении напряжения на 10% по формуле (23):







 .                                 

По (23) определяем: 







 .

Соответственно максимальный момент при снижении напряжения составит (24):











4.2.2 Расчёт параметров двигателя поперечной подачи



Номинальные данные для расчета электродвигателя серии FR?A520 1,0K, представлены  в таблице 4.2.







Таблица 4.2— Данные электродвигателя FR?A520 1,0K

Мощность 

Напряжение питания, В

Частота напряжения 

Частота вращения, 

n, об/мин

КПД ?

1,0

380

50/60

500

90,0

Максимальная частота вращения, 

Момент инерции ротора электродвигателя, 

Номинальный момент,



Диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя, 



3,9

16



Коэффициент мощности 

Кратность пускового тока, 

Перегрузочная способность,


0,89

7,5

2,2



Определим число пар полюсов по формуле (11):







 .

По формуле определим скольжение (12):





	

Определим мощность:





Определим ток (17):







Получим:







По  (20) определим пусковой момент:







По (21) определим максимальный момент:







По (22) находим пусковой ток:









4.3 Построение нагрузочной диаграммы и тахограммы для двигателя продольных подач



Исходные данные (рис.3):



Рисунок 3 — Изготавливаемая деталь



Изготавливаемая деталь имеет размеры:

L1=50мм; d1=200мм;

L2=350мм; d2=188мм;

L3=150мм; d3=184мм;

Данные о технологическом процессе:

операция — обтачивание наружной поверхности;

обрабатываемый материал — сталь 45Х2М с GB=9001000 МПа;

режущий инструмент — проходной резец, главный угол = 45;

охлаждение — эмульсия;

Необходимо определить режимы резания;

Припуск на обработку составляет 9 (мм);

Устанавливаем число проходов. Для глубины резания  8 мм и параметра шероховатости RZ = 60 мкм рекомендуется 2 прохода [9].

Глубина резания проходов:

t1=6 (мм);   t2=3 (мм).

По таблице 4 [9] для точения деталей диаметром до 200 мм и глубиной резания l1=6 мм; l2=3 мм, рекомендуется подача S01= 0,5 (мм/об); S02= 0,4 (мм/об).

По паспортным данным станка принимаем:

S01= 1,4 (мм/об); S02= 0,4 (мм/об).

По таблице 4 [9]  определяем скорость резания:

1 проход: t1=6 (мм); S01= 1,4 (мм/об);   1=85 (м/мин).

2 проход: t2=3 (мм); S02= 2,8 (мм/об);   2=120 (м/мин).

С учетом поправочных коэффициентов таблицы 3 [9] скорость резания (24):



                                             1= 1КМКИКЖ,                                                  (24)



где КМ — поправочный коэффициент на материал обрабатываемой детали;

       КИ  — поправочный коэффициент на материал инструмента;

       КЖ — поправочный коэффициент, учитывающий наличие охлаждения.

1=1250,861,460,78=90,74 (м/мин)

2=1600,861,460,78=138,78 (м/мин).

По установленной скорости резания определяем частоту вращения шпинделя:









По паспортным данным станка для 1 и 2 прохода принимаем:

n1= 145 (об/мин);

n2=221,3 (об/мин).



Таблица 4 — Технологические параметры для ЭП подач

Номер прохода

Длина обработки, мм

Глубина резания, мм

Подача, мм/об

1

500

6

1,4

2

150

3

0,4





4.3.1 Расчёт режимов работы двигателя



Построим нагрузочную диаграмму для привода продольной подачи, поперечная подача рассчитывается аналогично.

1.Усилие, необходимое для перемещения суппорта при трогании с места (25):



F1=?1·G+?STP                                             (25)



F1= 0,21·150+0,5·1000=531,5 (H).



2. Усилие, необходимое для перемещения суппорта в режиме холостого хода (26):



F2=?G                                                     (26)



F2=0,05·150=7,5 (H).



3. Усилие, необходимое для перемещения суппорта при 1 рабочем ходе (27):



F3=kFx1+?G                                               (27)



F3= 1,2·2730+0,05·150=5418 (H).



4. Усилие, необходимое для перемещения суппорта при 2 рабочем ходе (28):



F4=kFx2+?G                                            (28)



F4= 1,2·1710+0,05·150=2059 (Н).



5. Радиус приведения (29):



(29)



где tХВ —  шаг ходового винта, м; — передаточное отношение редуктора продольной подачи.



 



6. Момент инерции ходового винта (30):



                                            JХВ=765·dХВ4·lХВ,                                            (30)



где dХВ —  диаметр ходового винта, мм; lХВ — длина ходового винта, м;



JХВ=765·(40·10?3)4·0,9=0,0017(кг·м2).



7. Момент инерции привода продольной подачи:





(31)

                           





9.Момент сопротивления на валу двигателя в момент холостого хода (32):



(32)









10. Момент сопротивления на валу двигателя при 1 рабочем проходе:







11. Момент сопротивления на валу двигателя при 2 рабочем проходе:





	

12.Скорость двигателя при 1 проходе (33):





(33)



Где  v1под— скорость подачи, (м/мин);  v2под =0,9 (м/мин);







13.Скорость двигателя при 2 проходе: 







14.Скорость двигателя при быстром ходе:







15.Определение допустимого ускорения. Режим разгона на Х.Х. до скорости быстрого хода:











4.3.2 Расчёт участков нагрузочной диаграммы и тахограммы продольных подач



1.Разгон на холостом ходу:















2.Ход суппорта






















3.Торможение











4.Разгон до скорости резанья:











5.Рабочий ход:





  






6.Торможение:











7.Разгон до скорости быстрого хода (возврат суппорта):







8.Обратный ход:















9.Торможение:











2 проход:

10. Разгон до скорости резания:











11. 2 Рабочий ход:












12.Торможение:















13.Разгон до быстрого хода (возврат суппорта):











14.Обратный ход:



М=МС=0,13 (Н·м);











15.Торможение:











4.3.3 Расчёт  участков нагрузочной диаграммы и тахограммы привода поперечных подач



Усилие, необходимое для перемещения суппорта при  рабочем ходе:



F3=kFx1+?G=1,2·2841+0,05·150=3418(H).



Момент инерции ходового винта:



JХВ=765·(40·10?3)4·0,5=0,0012(кг·м2).



 Момент сопротивления на валу двигателя при 1 рабочем проходе:







По паспорту для стали 45ХМ2 выбираем скорость резанья: 







Рабочий ход 1:







Рабочий ход 2:







По полученным данным строим нагрузочную диаграмму (рис. 5):





Рисунок 5 – Нагрузочная диаграмма привода продольной подачи



4.3.4 Проверка двигателя методом средних потерь



Произведем проверку двигателя по методу средних мощностей[3]:

Определяем потери по выражению (34):







,

?i — КПД, соответствующий мощности Рп и зависящий от:



                            



                                                         ;                                                        (36)



                                                                                      (37)



Номинальные потери двигателя продольной подачи:







	Рассчитанные данные вносим в таблицу 5.



Таблица 5

,Вт

172,6

169,5

172,6

1694

172,6

?i

0,861

0,891

0,861

0,896

0,861



		Находим 	:	

		





Проверяется условие равенства средних и номинальных потерь. При их расхождении более чем на 10% необходимо подобрать другой двигатель и повторить расчет.

При верном выборе двигателя должно выполняться условие (38):



                                                      ;                                            (38)



;

Условие выполняется, значит двигатель выбран верно[5].



4.4 Структура и принцип работы низковольтного преобразователя на  IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты  представлена на рис 4.5. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.





Рисунок 4.6 — Структурная схема низковольтного преобразователя частоты



Переменное напряжение питающей сети  с постоянной амплитудой и частотой ,  поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения  используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение  поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На  рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения   в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение  изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону.

Наибольшая ширина импульсов обеспечивается  в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно?импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.  Амплитуда и частота напряжения  определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции [3].





Рисунок 4.7 — Пример приближенного значения синусоидального тока



При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц)  обмотки двигателя

вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи (Рис 4.6).

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения  может достигаться регулированием величины постоянного напряжения , а изменение частоты — режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока (Рис 4.7). В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении п.......................