Следящий электропривод подачи металлорежущего станка, оснащенный контурной системой ЧПУ

Расчет преобразовательного трансформатора, тиристоров и сглаживающего дросселя. Выбор элементов защиты тиристорного преобразователя от коммутационных перенапряжений. Определение ошибок, вносимых приводом подачи. Исследование динамических характеристик.

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Комсомольский - на - Амуре государственный

к курсовой работе

по дисциплине «Проектирование систем комплексной автоматизации производственных процессов»

Следящий электропривод подачи металлорежущего станка, оснащенный контурной системой ЧПУ

Студент группы 0ЭП-1

Задание на проектирование

1. Расчет и выбор исполнительного электродвигателя

2. Выбор комплектного электропривода

3. Расчет и выбор элементов силовой схемы электропривода

3.1 Расчет и выбор преобразовательного трансформатора

3.3 Выбор сглаживающего дросселя

3.4 Расчет и выбор элементов защиты тиристорного преобразователя от коммутационных перенапряжений

3.5 Расчет и выбор измерительного шунта

3.6 Расчет параметров цепи якоря двигателя

3.7 Определение коэффициента усиления тиристорного преобразователя

4. Расчет параметров системы регулирования, настройка регуляторов

4.1 Расчет контура регулирования тока якоря

4.2 Расчет контура регулирования скорости

4.3 Расчет контура положения

4.4 Расчет параметров схемы компенсации скоростной ошибки

4.5 Определение ошибок, вносимых приводом подачи

5. Исследование динамических характеристик

Список использованных источников

Разработать и рассчитать следящий электропривод металлорежущего станка, оснащенного контурной системой ЧПУ по следующим исходным данным:

преобразовательный трансформатор тиристор электропривод

Максимальное усилие резания Fz, Н ………………………………………. 10000

Масса стола вместе с деталью m, кг……………………………..………. 4000

Площадь трения направляющих стола S, см2 ……………………..……….3000

Средний диаметр ходового винта dср, мм…………………………………..….. 45

Шаг резьбы ходового винта tр, мм……………………………………………. 5

Угол трения ходового винта ц, град…………………………………………..… 6

Ускоренное перемещение стола Vmax, мм/мин……………………………… 1000

Максимальная рабочая подача Vрmax, мм/мин………………………………. 600

Минимальная рабочая подача и установочные

перемещения при ручном подводе стола Vmin, мм/мин………………………. 8

Коэффициент трения направляющих:

Удельное усилие прилипания в, Н/см2…………………………………….… 0,45

Минимальный радиус воспроизводимой окружности, мм……………………. 8

Степень компенсации скоростной ошибки.………………………………. …0,3

Тип дискретно-аналогового преобразователя (ДАП): импульсно-фазовый (ИФ).

Исполнение датчика обратной связи по положению (ДОС): вращающийся трансформатор (ВТ).

Из анализа мирового опыта создание нового и модернизации действующего технологического оборудования видна высокая динамика развития регулируемых электроприводов, компьютерных средств автоматизации, использование информационных технологий. Цель - максимальное повышение производительности технологического оборудования и качества продукции. Кроме традиционных применений регулируемые электроприводы совместно с технологическими устройствами выступают в виде средств регулирования технологических переменных: уровня, давления, температуры, производительности и др.

Отметим основные тенденции развития регулируемых электроприводов и средств автоматизации:

1. Постоянно расширяющееся применение регулируемых электроприводов во всех отраслях техники с целью совершенствования технологии.

2. Замена нерегулируемых электроприводов регулируемыми с целью энергосбережения.

3. Распространение блочно-модульных принципов построения электроприводов, информационных средств, средств управления и систем управления в целом.

4. Динамическая компьютеризация электроприводов, механизмов, агрегатов и комплексов. Новая идеология проектирования систем.

5. Дальнейшее развитие методов каскадного (подчиненного) управления, органично переносимого на управление технологическими переменными и качеством обработки.

6. Реализация систем управления следящим приводом исполнительных устройств технологических агрегатов на базе универсальных микропроцессорных средств.

Современный уровень автоматизации предполагает широкое внедрение станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Высокий темп технологического развития приводит к быстрым изменениям как механической части станка, так и его электрооборудования и систем ЧПУ. Наряду с этим появились и новые более эффективные методы управления электроприводами. Применение в станках с ЧПУ автоматизированных электроприводов обеспечивает расширение технологических возможностей станков, рост производительности, увеличение точности и чистоты обработки.

Большинство станкостроительных фирм мира демонстрируют на промышленных выставках только станки с ЧПУ, роботы с ЧПУ, роботизированные комплексы и гибкие производственные модули и системы, состоящие из станков с ЧПУ, роботов, погрузочно-разгрузочных систем, автоматизированных складов с управлением от ЭВМ. Столь бурное развитие производства и внедрения станков с ЧПУ обусловлено их существенными преимуществами по сравнению с универсальными станками. К этим преимуществам относятся: возможность обработки объемных деталей сложной формы; постоянство качества обработки; существенное повышение производительности труда; экономия рабочей силы, особенно квалифицированной; возможность автоматизации производства и создание гибких производственных систем.

1. Расчет и выбор исполнительного электродвигателя

Первоначальным этапом расчета привода является выбор исполнительного двигателя/1/. От правильного выбора двигателя зависит обеспечение всех технологических режимов обработки и необходимых динамических характеристик, а также конструкция механической части привода.

В средних и тяжелых станках, а также в станках с программным управлением привод подачи осуществляется по кинематической схеме, приведенной на рисунке1.

1 - двигатель; 2 - редуктор; 3 - ходовой винт; 4 - гайка; 5 - рабочий орган

Рисунок 1 - Кинематическая схема привода подачи

Усилие, передаваемое в направлении подачи при линейном перемещении движущегося органа станка, Н:

где Fx - составляющая усилия резания в направлении подачи, Н;

К - коэффициент запаса (1,2-1,5), принимаем К=1,35;

N?- сумма нормальных сил, действующих на направляющие, Н;

м - коэффициент трения;

Sтр - площадь прилегания взаимотрущихся поверхностей, см2;

в - удельное усилие прилипания, Н•см2.

Сумма нормальных сил:

N? =(mст+mизд)•g + Fу+ Fz,

где mст - масса перемещаемого узла станка, кг;

mизд - масса изделия, кг;

Fу - радиальная составляющая усилия резания, Н;

Fz - усилие резания, Н.

Для практических расчетов можно ориентировочно принять

Fx = Fy = 0,5•Fz = 0,5•10000 = 5000.

N? = 4000•9,81 + 5000 + 10000=54240.

2. Выбор комплектного электропривода

При определении мощности привода подачи необходимо учесть три возможных случая работы/3/:

1) Режим рабочей подачи (вSтр=0), Н:

2) Режим трогания с места (Fx=0), Н:

Fп2=м0•(mст +mизд)•g + в•Sтр;

Fп2= 0,3•4000•9,81 + 0,45•3000 = 13122;

3) Движение стола с деталью без резания (режим позиционирования), Н:

Fп3 = м•(mст +mизд)•g;

Вращающий момент на валу ходового винта (по максимальному усилию Fп.max = Fп1), Н•м:

где - средний диаметр ходового винта, мм;

- угол наклона резьбы, град;

- угол трения ходового винта, град.

Угол наклона резьбы ходового винта можно определить из выражения

где tв = Z•tр = 2•5=10 мм - шаг ходового винта;

tр - шаг резьбы ходового винта, м;

Z - число заходов.

б = arctg(0,071) = 4,06.

Максимальная скорость вращения ходового винта, с-1

где Vmax - скорость движения стола в режиме ускоренных перемещений,

Статическая мощность двигателя, кВт:

где з - КПД редуктора и винтовой передачи

Расчетная мощность двигателя, кВт:

РД = 1,9•РС = 1,9•0,78 = 1,5

Предварительно выбираем высокомоментный двигатель постоянного тока ПБВ132М. Номинальные данные двигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1 - номинальные данные двигателя

Jд (с тахогенератором), кг•м2

Крутизна тахогенератора, В/об/мин

Электромеханическая постоянная электродвигателя с тахогенератором, мс

Электромагнитная постоянная времени, мс

Передаточное отношение редуктора между валом электродвигателя и ходовым винтом:

где щН = - номинальная частота вращения определяется двигателя, с-1.

Момент статического сопротивления, приведенный к валу двигателя, Н•м:

Суммарный момент инерции определяем по формуле, кг•м2 :

где - коэффициент, учитывающий маховые массы редуктора;

- момент инерции двигателя, кг•м2;

- максимальная скорость движения стола, мм/мин.

Выполним проверку предварительно выбранного двигателя/3/. Проверку на нагрев выполним по среднеквадратичному моменту электродвигателя, Н•м:

где - амплитуда углового ускорения при обходе окружности радиуса R c результирующей (тангенциальной) скоростью Vр.max, рад/с2.

Проверку на перегрузочную способность выполняем по амплитудному значению момента двигателя, Н•м:

Мm = 9,9 + 47,13•0,226 = 20,55.

Пусковой момент, Н•м:

где - кратность допустимого по условиям коммутации момента (тока) электродвигателя (для двигателей серии ПВ = 3 - 4).

следовательно предварительно выбранный двигатель по условиям проверки на нагрев и по перегрузке проходит.

3. Расчет и выбор элементов силовой схемы электропривода

В качестве преобразователя тока выбираем цифровой преобразователь тока фирмы Siemens. Тип преобразователя Simoreg DC-master 6RA70.

SIMOREG 6RA70 являются полностью цифровыми компактными преобразователями для подключения к сети переменного тока и служат для питания якоря и возбуждения приводов постоянного тока с изменяемой скоростью вращения. Диапазон номинального постоянного тока преобразователей простирается от 15 до 2000 А и может быть увеличен за счет параллельного включения преобразователей.

В зависимости от использования преобразователи могут работать в нереверсивном или в реверсивном режиме. Преобразователи автономны благодаря интегрированной системе настройки параметров и не требуют дополнительных устройств для параметрирования. Все функции управления и регулирования, а также контрольные и вспомогательные функции выполняются под управлением одной микропроцессорной системы. Ввод заданного и текущего значения может производиться по выбору в цифровом или в аналоговом виде.

Преобразователи SIMOREG 6RA70 отличаются компактностью и экономией пространства для своей установки. В дверцу преобразователя встроен электронный бокс, который включает в себя модули регулирования. Этот бокс может быть дополнен модулями для технологических функций и последовательных интерфейсов. Благодаря удобной доступности отдельных элементов эта техника предоставляет Вам высокую степень дружественности сервиса. Якорный контур выполнен по мостовой схеме переменного тока. Контур возбуждения выполнен по полуупраляемой однофазной мостовой схеме B2HZ. Преобразователь имеет силовую часть для якоря и для возбуждения с электрически изолированными тиристорными модулями. При этом корпус теплоотвода не несет на себе потенциала.

Рассмотрим функции регулирования на якорном контуре. Источник задания скорости и его дополнительных значений может быть задан через аналоговую величину 0 … ± 10В, 0… ± 20 мА, от 4 до 20 мА; через встроенный потенциометр двигателя; через бинектор с функциями: фиксированное задание, толчковый режим, ползучесть; через последовательный интерфейс основного прибора; через дополнительный модуль. Нормирование производится таким образом, чтобы 100% задания (состоит из основного и дополнительного заданий) соответствовало максимальной скорости. В качестве сигнала для текущего значения скорости выбран аналоговый тахометр. Напряжение тахогенератора может составлять при максимальной скорости от 8 до 250 В.

Датчик разгона преобразовывает вводимое задание при скачкообразном изменении в непрерывно изменяемом во времени сигнале задания. Время разгона и замедления можно настраивать независимо друг от друга. Дополнительно датчиком разгона используется сглаживатель начала и конца, который работает в начале и в конце времени разгона. Все времена датчика разгона настраиваются независимо друг от друга.

Регулятор скорости сравнивает задание и текущее значение скорости вращения и при отклонении выдает регулятору тока соответствующее задание по току (принцип: регулирование скорости при помощи вспомогательного регулятора тока). Регулятор скорости выполнен как PI-регулятор с дополнительной выбираемой D-компонентой. Кроме того, переключаемая статическая часть является выбираемой. Все параметры регулятора можно настраивать независимо друг от друга. Значение Кр (усиление) можно адаптировать в зависимости от сигнала конектора. При этом Р-усиление регулятора скорости можно настроить в зависимости от текущего значения скорости, от текущего значения тока, от разности заданного и текущего значений или от диаметра обмотки.Рассмотрим принцип ограничения момента и тока. В зависимости от параметрирования выход регулятора скорости представляет собой либо задание момента, либо задание тока. В режиме регулирования момента выход регулятора скорости оценивается совместно с потоком машины Ц и затем в виде задания по току передается на регулятор тока. Режим регулирования момента используется прежде всего при понижении тока, чтобы независимо от скорости вращения можно было бы ограничить момент двигателя. В качестве действующего ограничения момента всегда принимается наименьшая заданная величина. После ограничения момента можно дополнительно прибавить задание момента. Ограничение тока, устанавливаемое после ограничения момента, служит для защиты преобразователя и двигателя. В качестве действующего ограничения тока всегда принимается наименьшая из заданных величин.

Теперь перейдем к рассмотрению принципа регулирования тока. Регулятор тока выполнен как PI-регулятор с независимыми друг от друга настраиваемыми Р-усилением и постоянной времени регулирования. При этом составляющие Р и I могут отключаться (чистое Р- или I- регулирование). Текущее значение тока регистрируется на стороне переменного тока при помощи преобразователя тока и передается через полное сопротивление трансформатора и выпрямитель на аналогово-цифровой преобразователь. Разрешение составляет 10 бит на номинальный ток преобразователя. В качестве задания по току используется выход ограничителя тока. Выход регулятора тока выдает на блок управления управляющий угол, параллельно этому действует управление с двойным усилением. Такое управление в контуре регулирования тока улучшает динамику регулирования. Благодаря этому становится возможным таймерный интервал регулирования от 6 до 9 мс. Управление с двойным усилением действует в зависимости от задания по току и ЭДС двигателя и обеспечивает благодаря этому при прерывистом и непрерывистом токе и даже при смене направления момента ввод необходимого управляющего угла в блок управления. Блок управления образует синхронно с сетевым напряжением управляющий импульс для тиристоров силовой части. Синхронизация является независимой от вращающегося поля и от питания электроники и воспринимается силовой частью. Положение управляющего импульса во времени определяется выходным значением регулятора тока и управлением с двойным усилением.

Теперь рассмотрим функции регулирования в контуре возбуждения. Регулятор ЭДС сравнивает заданное и текущее значения ЭДС (индуцированное напряжение двигателя) и выдает задание для регулятора тока возбуждения. Благодаря этому становится возможным зависимое от ЭДС регулирование с понижением тока. Регулятор ЭДС работает как PI-регулятор. Р- и I- компоненты можно настраивать независимо друг от друга или же регулятор может работать как чистый Р- или I- регулятор. Параллельно с регулятором ЭДС работает управление с двойным усилением, которое в зависимости от скорости управляет заданием тока возбуждения при помощи автоматически формируемой характеристики поля. После регулятора ЭДС находится суммирующая ячейка, которая может вводить дополнительное задание поля при помощи конектора, например, через аналоговый вход или через последовательный интерфейс. Совместно действует ограничение для задания возбуждения. При этом задание по возбуждению можно независимо друг от друга ограничить по одному минимальному и по одному максимальному значению. Ограничение производится с помощью параметра или конектора. При этом минимум действует для верхней границы, а максимум - для нижней. Регулятор тока возбуждения для поля - это РI-регулятор с независимыми настройками для Кр и Тn. Дополнительно он может работать как чистый Р- и I- регулятор. Параллельно с регулятором тока возбуждения работает управление с двойным усилением, которое в зависимости от задания по току сетевого напряжения определяет угол управления для контура возбуждения и устанавливает его. Управление двойным усилением поддерживает регулятор тока и обеспечивает ему динамические характеристики в контуре возбуждения.Блок управления в контуре возбуждения образует в контуре возбуждения синхронно с сетевым напряжением управляющий импульс для тиристоров силовой части. Синхронизация воспринимается силовой частью и благодаря этому независима от питания электронной части. Положение управляющего пульса во времени определяется выходным значением регулятора тока и управлением с двойным усилением. Ограничение регулирования производится через параметр. Блок управления автоматически настраивается на частоту сети в диапазоне 45 … 65 Гц.