Промышленная установка и технологический процесс

ВВЕДЕНИЕ



К одним из самых распространённых производственных машин, которые используются в целях механической обработки металлических заготовок, относятся металлорежущие станки. Станки функционируют благодаря сложной системе автоматизированного электропривода двух типов - привод главного движения и привод подачи. Надежность работы станков непосредственно влияет на качество выпускаемой продукции. Ключевой задачей проектирования автоматизированного электропривода металлорежущих станков при этом является выбор подходящего электродвигателя, в том числе в зависимости от его мощности. Выбор типоразмера двигателя, благодаря которому происходит обработка при максимальной нагрузке, производится на основании данных расчета режимов резания для всех типовых обрабатываемых деталей.

Результатом развития силовой и вычислительной электроники стало создание более надежных, более точных и менее дорогих систем электропривода, что приводит к необходимости осуществления модернизации существующих приводов устаревшего типа.

Кроме того, несколько десятилетий назад была начата полная автоматизация промышленных предприятий, начали применяться технологии, позволяющие человеку лишь контролировать процесс, а управление процессом осуществляет АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим предприятием.

В связи с этим задачи, которые ставятся в данном дипломном проекте и касаются модернизации привода главного движения универсально фрезерного станка модели 6Н81 и его автоматизацией, на сегодняшний день актуальны.


1. ТЕХНОЛОГИЯ

1.1. Промышленная установка и технологический процесс



На сегодняшний день металлорежущие станки, как отмечалось выше, являются одними из наиболее распространенных производственных машин, применяемых для механической обработки металлических заготовок. Заготовка при снятии стружки приобретает необходимую форму, размеры и чистоту поверхности. В зависимости от характера работ, применяемого инструмента и формы поверхности, которая образуется при работе, металлорежущие станки делятся на девять видов, из них в отдельную группу выделяются фрезерные станки.

Фрезерные станки применяются для обработки плоских и фасонных поверхностей с внутренней и наружной стороны, используются для прорезания прямых и винтовых канавок, для нарезки резьбы. Главной их особенностью являются фрезы - вращающиеся многолезвийные режущие инструменты. Схема фрезерования показана на рис. 1.





Рис. 1. Схема фрезерования


Главное движение ?Z - это вращение фрезы 2, движение подачи ?П – это перемещение изделия 1. В течение доли оборота фрезы каждым лезвием фрезы снимается стружка, сечение стружки s при этом постоянно изменяется с нуля до наибольшей величины. В фрезеровальный цикл входит включение шпинделя с инструментом, перемещение на быстром ходу стола с заготовкой, переход на рабочую подачу при учете припуска, фрезерование заготовки, перемещение стола в сторону от инструмента в ускоренном режиме.

К характерным чертам станка 6Н81 относится местонахождение шпинделя. Установка оси шпинделя осуществляется горизонтально, что позволяет применять плоские цилиндрические фрезы, дисковые фрезы и фасонные фрезы.

Данный станок позволяет осуществлять обработку стальных и чугунных заготовок. 

Работа фрезерных станков общего назначения осуществляется в течение продолжительного времени с постоянной нагрузкой. При этом мощность двигателя привода главного движения может быть определена в соответствии с расчетной мощностью, в соответствии с данными технических показателей, наибольшей нагрузкой.



Устройство универсально-фрезерного станка модели 6Н81

Основным предназначением станка является фрезерование разнообразных деталей сравнительно небольших размеров в основном посредством цилиндрических, дисковых, угловых, фасонных и модульных фрез в условиях индивидуального и серийного производства. Поворотный стол позволяет нарезать винтовые канавки при изготовлении косозубых колес, фрез, зенкеров, разверток и подобных деталей. Кроме плоскостей, пазов, винтовых канавок, которые располагаются под любым углом, такие станки позволяют осуществлять обработку объемных фасонных поверхностей, например, штампов. 

На рис. 2 показано универсальное устройство станка для фрезеровки модели 6Н81.



Рис. 2. Общий вид универсально-фрезерного станка модели 6Н81

А - станина с коробкой скоростей и шпиндельным узлом; Б - хобот с подвесками; В - дополнительная связь консоли с хоботом; Г - поворотная часть стола; Д - поперечные салазки; Е - стол; Ж - консоль с коробкой подач; 3 - основание с резервуаром для охлаждающей жидкости.


Основная несущая конструкция станка представлена станиной. В верхней части станины находится фрезерная головка, к которой с двух сторон крепится инструмент. Консоль, которая может передвигаться вниз и вверх по вертикальным направляющим, находится в нижней части станины. Несущие салазки перемещаются по горизонтальным направляющим. Рабочий стол, где закреплена заготовка, перемещается по их направляющим. 

В станке есть три движения подачи, которые являются взаимно перпендикулярными, они осуществляются посредством коробки подач. Фрезе вращение сообщается от асинхронного двигателя через коробку скоростей, которые располагаются внутри станины. Ручное управление станком осуществляется с помощью рукояток, которые находятся на станине и консоли.

Детали, обработка которых осуществляется, должны быть зафиксированы на столе, в тисках машины или специальных приспособлениях, которые устанавливаются на столе станка. Если заготовку необходимо разделить на несколько равных частей, то применяется универсальная делительная головка.

Закрепление насадных фрез производят на консольных или на опорных оправках. Чтобы поддержать шпиндельные оправки, используют хобот с центральной и концевой подвесками. Закрепление хвостовых фрез осуществляется непосредственно в конусе шпинделя или цанговом патроне. Установление и закрепление торцовых фрезерных головок осуществляется на торце шпинделя.

Станок согласно его конфигурации и размерами обрабатываемой детали настраивается посредством быстрых механических или ручных перемещений стола, поперечных салазок и консоли. Когда нарезаются винтовые канавки, стол должен быть повернут в соответствии с углом наклона фрезеруемой винтовой канавки. Чтобы жесткость узла при работе на тяжелых режимах была выше, устанавливают дополнительную связь.

Данные универсального фрезерного станка 6Н81 следующие:

габариты станка, мм:

длина

2060

ширина

1940

высота

1600

вес станка, кг

2100

рабочая площадь стола, мм:

длина

1000

ширина

250

наибольший угол поворота стола, град 

±45

электродвигатель шпинделя:

число оборотов, об/мин

1450

мощность, кВт

4,0

электродвигатель подачи:

число оборотов, об/мин

1420

мощность, кВт

1,5

максимальный диаметр инструмента, мм

200

быстрый ход стола, мм/мин

8 000



1.2 Управление работой станка

Станок может работать в двух режимах - ручном и полуавтоматическом.

Ручной режим работы – это наладочный режим, запуск которого должен быть произведен от рукояток и маховичков ручного привода. Управляет перемещением стола оператор, однако скорость при этом намного ниже, чем скорость при номинальном режиме работы. В ручном режиме также переключаются зубчатые колеса в коробке скоростей и подач.

В полуавтоматическом режиме станок управляется посредством панели управления, которая располагается на передней части консоли. Она позволяет включать и отключать привод подач и привод главного движения.

Перемещение по всем координатам контролируется посредством линейных шкал, которые устанавливаются вдоль направляющих.



1.3 Кинематическая схема, определение параметров и проектирование расчетной схемы механической части электропривода, расчётные перемещения

На рис. 3 представлена кинематическая схема механизма продольной подачи стола станка.





Рис. 3.

Обозначения на рисунке: М - двигатель, СМ - соединительная муфта, КС - коробка скоростей (,), Ш - шпиндель.

В состав механической части электропривода (ЭП) входит движущаяся часть электродвигателя, коробка скоростей, шпиндель с инструментом. В приведенной схеме отражено положение, в соответствии с которым механический элемент электропривода является системой связанных масс, которые вращательно движутся с различными скоростями. При нагружении происходит деформации элементов системы, потому что механические связи не абсолютно жестки. В случае изменения нагрузки массы могут взаимно перемещаться, что при данном приращении нагрузки будет зависеть от жесткости связи.

Чтобы проанализировать движения механической части ЭП необходимо перейти от реальной кинематической схемы к расчетной схеме, где массы и моменты инерции движущихся элементов и их жесткости, силы и моменты, которые действуют на эти элементы, заменяются эквивалентными величинами, которые приводятся к одной и той же скорости.

Наиболее характерным режимом работы ЭП является режим, при котором двигателем создается движущийся момент, а исполнительным органом – тормозящий. При этом уравнение движения имеет вид:



.

На рисунке 4 представлена расчетная схема механической части электропривода.



Рис. 4.



При приведении к валу двигателя выражаться суммарный приведенный момент инерции ЭП J? может общей формулой вида:



J? = Jдв + Jмуф + Jкс + Jш,



где Jдв - момент инерции ротора двигателя, муф - момент инерции муфты, кс - момент инерции редуктора, ш - момент инерции шпинделя с инструментом.

Расчетные перемещения:

nоб. двиг. ? sмм/мин.

Вид уравнения кинематического баланса следующий:


S = n об. двиг.? ? кор. подач. ? ? подач мм/мин.


Определение скорости наибольшей продольной подачи smax осуществляется из зависимости:


мм/мин.


Для определения минимального значения скорости продольной подачи Smin используется зависимость:


мм/мин.


Максимальное значение скорости поперечной подачи Sп мах осуществляется из выражения: 


мм/мин.


Определение минимального значения скорости поперечной подачи Sп min  осуществляется из выражения: 


мм/мин.

Максимальное значение скорости вертикальной подачи Sв мах может быть определена из выражения:


мм/мин.


Минимальное значение скорости вертикальной подачи Sв min может быть определена из выражения: 


мм/мин.



Стол, поперечные салазки и консоли перемещаются быстро и с постоянной скоростью. При этом происходит непосредственная передача вращения от электродвигателя, минуя коробку подач, через вал, винтовые колеса и фрикционную муфту валу и затем рабочим органам станка. Благодаря обгонной муфте при быстром вращении происходит автоматическое расцепление вала с корпусом червячной шестерни.

В продольном направлении скорость быстрых перемещений стола Sб может быть выражена отношением: 


мм/мин.


В поперечном направлении - отношением:

мм/мин.


В вертикальном направлении скорость быстрых перемещений стола s6 можно выразить отношением:


мм/мин.



Рис. 5. Кинематическая схема универсально-фрезерного станка модели 6Н81
2. ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ



2.1.1 Асинхронный двигатель и коробка скоростей

На сегодняшний день на некоторых станках по-прежнему используются трехфазные одно- и двухскоростные асинхронные двигатели, которые имеют чисто механическую систему, посредством которой регулируется скорость. Чтобы переключить шестерни коробки скоростей используются электромагнитные фрикционные муфты. Но для разных диаметров инструмента обработки ступенчатое механическое регулирование угловой скорости не обеспечивает самую выгодную скорость резания, в связи с чем станок не обеспечивает максимальную производительность при различных диаметрах инструмента. Однако коробка скоростей - это довольно сложная и громоздкая конструкция, стоимость которой растет прямо пропорционально увеличению числа ступеней.



2.1.2 Электроприводы постоянного тока ЭПУ1

В зависимости от своего назначения трехфазные тиристорные электроприводы ЭПУ1 делятся на два вида: для механизмов подач и для главного движения станков (исполнение Д). Электроприводы могут быть выпущены в нескольких модификациях в виде нереверсивного (ЭПУ1-1) и реверсивного (ЭПУ1-2) с двухозонным и однозонным регулированием скорости с обратной связью по скорости (исполнение М) или с обратной связью ЭДС (исполнение Е).

Чтобы производилось питание якоря двигателя ТПЯ, необходимо выполнение силовых схем ТП по трехфазной мостовой схеме с силовыми оптронными тиристорами на токи до 100 А и силовыми тиристорами на токи 200, 400, 630 А с одним комплектом вентилей для нереверсивного ЭП и двумя комплектами для реверсивного. ЭП с трансформаторным питанием выполняются с трех- и двухобмоточными трансформаторами Т с выпрямленным напряжением соответственно 115 и 230 В и с токоограничивающими реакторами L с выпрямленным напряжением 230 В и при напряжении сети 220 В. Для высокомоментных двигателей в якорной сети имеется сглаживающий реактор L1. При обмотке возбуждения двигателя выпрямитель выполняется по одно- и трехфазным схемам выпрямления с диодами. ТП возбуждения используется в двухзонных ЭП. Его выполнение осуществляется по однофазной мостовой полууправляемой схеме с двумя оптронными тиристорами и двумя диодами (на токи ЭП до 100А) и по однофазной управляемой схеме с четырьмя оптронными тиристорами и защитным тиристором (на токи ЭП 200, 400 и 630 А).

Для максимально-токовой защиты ЭП с двигателем на токи до 100 А используются плавкие предохранители, выше 100 А - автоматический выключатель.



2.1.3 Комплектный привод типа ЭШИР-1-А

Приводы типа ЭШИР-1-А, где присутствует транзисторный широтно-импульсный преобразователь являются комплектными приводами, которые применяются для привода механизмов шпинделя и осуществления подач прецизионных станков. Благодаря электроприводу обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости, пределы которого - от nmax до 0,1 об/мин с постоянным моментом на валу двигателя, автоматический пуск на любую установленную скорость, а также автоматическое торможение и реверс с любой установленной скорости.

Приводом обеспечивается однозонное регулирование скорости. Сигнал управления, который соответствует максимальной скорости является аналоговым ?10В. Посредством изменения полярности входного сигнала обеспечивается реверс направления вращения. К защитам, предусмотренным в электроприводе относят максимальную токовую защиту; электронную защиту силовых ключей; электронную защиту двигателя от перегрузок; электронную защиту от превышения фактической скорости над заданной; защиту от падения напряжения, от обрыва фазы и отключения сети питания.

Узлы, входящие в состав привода ЭШИР-1-А представлены:

блоком преобразователя;

электродвигателем со встроенным тахогенератором;

блоком силового трансформатора;

дросселем якорным.

Усиленный регулятором скорости сигнал рассогласования поступает на вход регулятора тока (РТ). Пропорционально-интегральный регулятор скорости (РС) -  его обратная связь собрана на цепях R35-C15 и R34-C14. Цепь R35-C15 при этом подключена постоянно, а цепь R34-C14 параллельно первой цепи подсоединяется посредством устройств, которые переключают коррекцию на вращательных скоростях, которые превышают 1/3 максимальной скорости. Пульсация якорного тока на высоких скоростях при высоком уровне помех от тахогенератора достигается переключением ключей. Помимо сигнала РС по току якоря на вход РТ поступают сигналы обратной связи с датчика тока, датчика статического тока и от ограничителя тока. РТ является усилителем постоянного тока, который собирается на операционном усилителе. На входы ШИМ-1 и ШИМ-2 с выхода РТ поступает сигнал. Входы модулируют входной сигнал соответствующей полярности. Биполярный широтно-модулированный сигнал с выхода ШИМ поступает на вход коммутационного блока, преобразующий несимметричный закон коммутации в поочередный несимметричный. Затем происходит подача сигнала на узлы задержки, которые производят посредством силовых ключей раздвижку на постоянный интервал ?t импульсов каналов управления. Раздвижка импульсов, которые управляют вертикалью ключей, используется для того, чтобы уменьшить величину сквозного тока. Посредством гальванической развязки разделяются силовая и управляющая схемы.



2.1.4 Комплектный асинхронный электропривод типа «Размер 2М-5-2»

«Размер 2М-5-2» - это асинхронный ЭП, который применяется при работе систем автоматического регулирования скорости электродвигателей в ЭП главного движения, для подач металлорежущих станков и в промышленных роботах с системами числового программного управления (ЧПУ).

Система управления электропривода - тиристорный преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ТПЧ-АД) с частотно-токовым векторным управлением, который позволяет обеспечить глубокое регулирование скорости (D = 10 000).

Система управления ЭП является двухконтурной с ПИ - РС и трехфазным релейным РТ. Задающее напряжение Uз,с определяет скорость двигателя.

Инвертор тока (ИТ) - это трехфазная мостовая схема, питание которой осуществляется от звена постоянного тока. ИТ работает на частоте коммутаций f = 3 кГц. В каждой из фаз моста содержится по два силовых прерывателя, поочередно подключающих вывод обмотки АД к полюсу звена постоянного тока - положительному либо отрицательному. Переключение осуществляется с указанной частотой, последовательность переключений управляется РТ. Прерыватели или ключи трехфазного мостового инвертора содержат параллельно включенных транзисторов, управляющий тиристор, соединенный с основными в соответствии со схемой составного тиристора, и вентиля обратного моста.

Работа с номинальными моментами двигателей от 7 до 47 Н·м во всех квадрантах механических характеристик обеспечивается электроприводом. ЭП имеет быстродействующую защиту силовых транзисторов ИТ от перегрузки (более 60 А) посредством ТЗК. Также имеется защита от перегрева, недопустимого превышения или снижения напряжения источников питания. В случае, если напряжение сети исчезает, происходит торможение двигателя в аварийном режиме.



2.1.5 Электроприводы ЭТА-1

Свое применение электроприводы переменного тока ЭТА-1 находят в различных производственных механизмах, где необходимо плавное регулирование и стабилизация скорости. ЭТА-1 созданы на базе двухфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей и тиристорных преобразователей частоты с непосредственной связью. Гальванически статорные обмотки двигателя не связаны, каждая обмотка от своего преобразователя получает питание. Двигатели снабжаются пространственным комплексным датчиком, который содержит бесконтактный тахогенератор и датчик положения ротора, являющийся фотоимпульсивным.

Структура системы автоматического регулирования электропривода является двухконтурной с ПИ-регулятором скорости и с внутренним контуром регулирования тока. Системой реализуется частотно-токовый принцип управления асинхронным двигателем. Задающий сигнал и сигнал отрицательной обратной связи по скорости от тахогенератора подается на вход регулятора скорости с задатчика интенсивности. Регулятором скорости на выходе формируется сигнал задания частоты скольжения, подаваемый как сигнал задания тока подается на координатный преобразователь. Координатным преобразователем формируется два сигнала управления на преобразователь частоты.



2.1.6 Электропривод с вентильным двигателем

Применение электроприводов фирмы и частотного преобразователя SIMOVERT MASTERDRIVES со встроенным модулем SIMODRIVE 611 U с синхронными двигателями осуществляется в качестве привода главного движения станков - токарных, фрезерных, сверлильных и универсальных. Построение электропривода осуществляется в соответствии со схемой транзисторный преобразователь частоты - синхронный двигатель (ТрПЧ-СД) с частотно-токовым управлением. Им обеспечивается высокое быстродействие и малые уровни шума и электромагнитных потерь в двигателе. Электропривод состоит из: бесколлекторного СД с возбуждением от постоянных магнитов в роторе с пристроенными тахогенератором и датчиком углового положения ротора (ДПР) (двигатель дополнительно может состоять из встроенного тормоза, терморезистора и пристроенного оптронного датчик пути); блока регулирования; блока питания (питание ЭП производится посредством силового трансформатора или без трансформатора); автоматического выключателя; токоограничивающих резисторов; контактора (магнитного пускателя).

Питание двигателя, регулирование частоты напряжения на двигателе и тока в фазах обмотки статора согласно требуемой скоростью и в соответствии с моментом двигателя осуществляет инвертор тока. Это устройство, как и датчик положения, является коллектором (как в двигателе постоянного тока).

Электропривод управляется посредством двухконтурной системы с пропорционально-интегральным регулятором скорости и безинерционным релейным регулятором тока. Электропривод предусматривает: нулевую защиту от снижения напряжений управления; максимально-токовую защиту; защиту от перегрева двигателя; защиту от прекращения вентиляции и от обрыва возбуждения тахогенератора. Существует также блокировка от ползучей скорости двигателя. Размещаются защиты всех видов в блоке защиты.





2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации

Предъявляемые к электроприводу механизма привода шпинделя требования связаны с тем, что необходимо получить его три основные режима, к которым относится пуск, установившееся движение и торможение, с необходимостью получения определенных вспомогательных и наладочных режимов, с необходимостью обеспечить надежную и бесперебойную работу шпиндельного механизма.

К электроприводу предъявляются требования, связанные с:

обеспечением плавного пуска двигателя при ограниченном значении момента и ускорении ? = 600 рад/с2 для того, чтобы обеспечить безударный выбор зазоров в зубчатых передачах в начальный период пуска;

регулированием скорости при постоянном моменте или при постоянной мощности;

обеспечением нагрузки жесткой механической характеристики электропривода при ударном изменении момента;

обеспечением заданного диапазона регулирования скорости 

();

обеспечением заданного времени переходного процесса (tп/п=0,3).

Система автоматизации должна соответствовать следующим требованиям:

иметь блокировки и защиты;

обладать минимальными габаритами и минимальной массой;

быть удобной для монтажных, наладочных, диагностических и ремонтных работ;

соответствовать требованиям, предъявляемым к технике безопасности;

обеспечивать помехозащищенность и исключать радиопомехи.

К основным видам защиты относят защиту от:

токовых перегрузок;

исчезновения напряжения в цепи управления и силовой цепи;

неправильного чередования фаз;

превышения скорости.

Основными видами блокировок являются: 

блокировка от самопроизвольного пуска;

блокировка включения привода подачи если привод главного движения отключен.



2.3 Определение возможных вариантов и выбор рациональной системы электропривода

Система транзисторный преобразователь - двигатель постоянного тока независимого возбуждения (ТрП - ДПТ НВ) обладает очень высоким быстродействием преобразователя. Тп, являющаяся постоянной времени, не превосходит 0,005 с. при полупроводниковом широтно-импульсном модуляторе. Это значительно расширяет возможности создания при переходе к системе ТрП - ДПТ НВ быстродействующих электроприводов. Управление такими системами является достаточно простым. Преимущество транзисторного преобразователя перед тиристорным преобразователем заключается в отсутствии режима прерывистых токов, снижающем качество регулирования скорости.

В сравнении с системой ТрП - ДПТ НВ система тиристорный преобразователь - ДПТ (ТП - ДПТ НВ) обладает меньшим количеством ступеней преобразования энергии, способна осуществлять рекуперацию энергии в сеть и имеет больший КПД. Применение системы ТП - ДПТ целесообразно для приводов большей мощности, чем система ТрП - ДТП.

Но общим недостатком ТП и ТрП при этом является в определенном смысле двигатель постоянного тока, который является дорогим и при этом требует проведения работ по профилактике на щеточно-коллекторном узле.

Наиболее простой, недорогой и при этом надежный электрический двигатель - это асинхронный короткозамкнутый двигатель, в связи с чем он крайне интересен для применения в регулируемом электроприводе. В асинхронном электроприводе возможности регулирования, как было установлено, аналогичны возможностям изменения напряжения на якоре двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, обеспечены изменением частоты напряжения и тока статорной обмотки. При частотном управлении механические характеристики асинхронного двигателя складываются в зависимости от задач, которые решаются обеспечением требуемой перегрузочной способности и жесткости характеристик во всем диапазоне регулирования скорости. Реализация возможностей осуществима только при условии, что питание статорной обмотки двигателя осуществляется от управляемого преобразователя частоты.

Большее число ступеней - это технически более сложная задача, чем регулирование выпрямленного напряжения, в связи с тем, что это предполагает наличие дополнительных ступеней преобразования энергии.

Наименьшее число ступеней преобразования энергии имеют вентильные преобразователи частоты. В них содержится ступень преобразования переменного тока в постоянный и ступень инвертирования. В самостоятельном виде обе ступени имеются в преобразователях частоты со звеном постоянного тока. Функции, связанные с выпрямлением и инвертированием в преобразователе частоты с непосредственной связью совмещаются в реверсивном преобразователе постоянного тока, выпрямленное напряжение или ток которого с требуемой частотой изменяется посредством системы управления преобразователем. Таким образом, наиболее близкий к системе ТП - ДПТ НВ массогабаритный показатель имеет система преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ - АД) с преобразователем с непосредственной связью, а система с преобразователями, которые содержат ступень постоянного тока, по этим показателям уступает системе ТП - Д. Но по мере совершенствования тиристорных преобразователей частоты эти различия становятся все менее значительными.

Более низким коэффициент полезного действия системы ПЧ – является по сравнению с КПД в системе ТП - Д, при наличии звена постоянного тока, так как преобразование напряжения и тока в этом случае происходит дважды.

В такой системе значение коэффициента мощности расположено близко к значению коэффициента мощности в системе ТП - Д, при условии, что звеном в постоянном токе выступает тиристорный преобразователь. Достаточно высоким коэффициент становятся в системах, где присутствует неуправляемый выпрямитель, но при этом нет возможности рекуперации энергии в сеть в тормозных режимах электропривода. В случае, если применяются режимы рекуперации энергии, может происходить значительное снижение энергопотребления установкой за цикл работы, в связи с этим, сравнивая варианты системы очень важно принимать во внимание данный фактор.

Все вышеизложенное позволяет заключить, что для привода главного движения станков являются подходящими ЭП и постоянного тока, и переменного тока. При этом необходимо учитывать, что:

по своей стоимости современные ПЧ соизмеримы со стоимостью ТП;

существует недостатки, которые связаны с двигателем постоянного тока;

Итак, наиболее целесообразна для привода главного движения универсального фрезерного станка модели 6Н81 такая система электропривода, как ПЧ - АД.



2.4 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

В целях создания глубокорегулируемого высокодинамичного электропривода самым рациональным способом управления представляется векторное управление с ориентацией по вектору потокосцепления ротора. У функциональной схемы такого ЭП при этом имеется наименьшее число перекрестных связей, а выражения момента асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и скорости сравнительно просты. В таком случае наиболее простым является осуществление регулирования скорости при стабилизации потокосцепления ротора. Это предполагает, что в системе управления необходимо наличие двух каналов регулирования, которыми является скорость и потокосцепление, а также блоки преобразования координат. У каждого канала есть два контура, которые строятся в соответствии с принципом подчиненного регулирования.

Благодаря современным преобразователям частоты с векторным управлением АД появляется возможность осуществления прямого управления скоростью, при котором присутствует обратная связь по скорости, а также возможность косвенного управления, при котором расчет величины скорости осуществляется в соответствии с текущими значениям напряжения и тока. В целях увеличения точности поддержания скорости рационально использовать датчик скорости. Помимо этого, косвенно определяется потокосцепление. Данные расчеты осуществляются в специальном блоке - наблюдателе.

На рис. 6 представлена функциональная схема автоматизированного электропривода фрезерного станка 6Н81.





Рис. 6.

ПФ1, ПФ2 - преобразователи фаз; БПК1, БПК2 - блоки преобразования координат; БВМ - блок выделения модуля потокосцепления ротора; ТА - тригонометрический анализатор; БК - блок коррекции; РП, РС, РТ1, РТ2 - соответственно регуляторы потокосцепления ?r, скорости ?r и проекций обобщенного вектора тока статора isa, isb.


3. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ



3.1. Расчет нагрузок и построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы механизма

Основой выбора мощности электродвигателя для привода главного движения фрезерного станка является наиболее трудоемкая деталь, обработка которой производится на данном станке. При выборе мощности двигателя необходимо учитывать деталь, обрабатываемую на станке данного типа. 

Обрабатываемым материалом является сталь конструкционная углеродистая.

Режущий инструмент имеет данные:

? инструмент относится к типу дисковой фрезы из быстрорежущей стали;

? диаметр фрезы (d) составляет 60 мм;

? число зубьев фрезы - z = 11.

Обработки заготовки осуществляется в условиях:

? глубины фрезерования - t = 10 мм;

? подачи на один зуб фрезы - s = 0,2 мм;

? ширины фрезерования - В = 20 мм.

Охлаждение фрезы осуществляется посредством концентрата жидкости смазочно-охлаждающей ЭК3.

Нормативная скорость резания, м/мин, при фрезеровании рассчитывается по формуле (3.1):



,(3.1)



где CV - коэффициент, который зависит от обрабатываемого материала, типа фрезы и вида обработки, CV = 160;

Т - стойкость фрезы, T = 180 мин;, m, yv, xv, k, n - показатели степени, которые зависит от свойств обрабатываемого материала: q =0,5, m= 0,2, yv = 0,4, xv = 0,33, k= 0,3, n = 0,1.

При подстановке данных в формулу (3.1) получим:

.

Значение частоты вращения инструмента составит:

.

Минутная подача:

.

Для расчета усилия резания или окружного усилия при фрезеровании, Н, используется формула (3.2):

,(3.2)

где CF - коэффициент, который зависит от обрабатываемого материала, типа фрезы и вида обработки, CF = 280;, yF, i - показатели степени, зависящие от свойств обрабатываемого материала, xF = 0,6, yF = 0,74, i = -1.

После подстановки данных в формулу (3.1) получим:

.

Произведем расчет времени каждого участка при обработке детали. Время быстрого хода детали к инструменту составит при расстоянии 1 = 360 мм:



Технологическое время фрезерования составит:

,


где l2 - величина врезания фрезы, l2 = 12 мм;- длина фрезерования, l3 = 320 мм;- величина перебега фрезы, l4 = 5 мм.

.

Время ускоренного отвода детали составит:



Суммарное время обработки одной детали:

.

По данным расчетов были построены нагрузочная и скоростная диаграммы механизма, которые изображены на рис. 7.





Рис. 7.


3.2 Предварительный выбор двигателя по мощности

Статистическая мощность резания, Вт, при условии, что известны значения усилия и скорости резания, может быть рассчитана по формуле:

.

При выборе электродвигателя учитывается мощность, потребная при фрезеровании. Статическая мощность электродвигателя, Вт, при этом рассчитывается по формуле:



,(3.4)



где k - коэффициент запаса по мощности, k = 1,3.

?п - кпд механической передачи, ?п = 0,88.

.



3.3 Выбор номинальной скорости двигателя и типоразмера двигателя

Выберем для привода главного движения асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, относящийся из двигателей серии 4А, которые специально разрабатывались для частотно-регулируемых электроприводов. Двигатель из справочника возьмем в соответствии с условием: . Данному условию соответствует двигатель: 4АБ2П100М4ПБ со следующими данными



номинальная мощность

Р

кВт

4

номинальная частота вращения ротора

n

об/мин

2870

номинальный кпд

?

о.е.

86

момент инерции ротора

J

кг?м2

0,0056

cos ?





0,83

максимальный момент двигателя

Ммах

о.е.

2

масса двигателя

m

кг

28

критическое скольжение

sк

%

22



Произведем расчет номинальной скорости вращения:

.

Номинального момента двигателя:

.

В связи с тем, что диапазон регулирования менее 50, необходимо использование электрического бесступенчатого регулирования скорости. Коробку скоростей заменим редуктором. Чтобы рассчитать передаточное число редуктора примем, что скорость шпинделя будет максимальной при номинальной частоте вращения двигателя. В соответствии с этим:

.



3.4 Построение нагрузочной диаграммы электропривода

Чтобы построить нагрузочную диаграмму электропривода, рассчитаем электромагнитный момент двигателя на каждом из этапов работы. В связи с этим необходимо произвести расчет динамического момента и момента холостого хода. Расчет динамического момента осуществляется формуле:

,

где J? - суммарный момент инерции:

,

где ? - коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора, соединительной муфты, ? = 0,1;шп - момент инерции шпинделя, Jшп = 0,02 кг?м2;

;

? - допустимое ускорение, ? = 600 рад/с2.

.

На момент холостого хода влияет множество факторов, он не остается постоянным при различных скоростях. Но, если учесть, что его величина составляет не более 10-15% от номинального момента двигателя, то его расчет можно произвести по упрощенной формуле:

.

При фрезеровании электромагнитный момент двигателя:

.

Угловая скорость ротора рассчитывается по формуле:

.

Момент и время каждого участка работы привода определяется следующим образом:

Пуск привода:

;

.

Ускоренный подвод детали:






Фрезерование заготовки:





Ускоренный отвод детали:





Торможение привода:

;

.

В соответствии с полученными данными была построена нагрузочная диаграмма, представленная на рис. 8.





Рис. 8.

3.5 Проверка выбранного электродвигателя по нагреву и пе.......................