1.4 Основные требования, предъявляемые к станочным приводам
Требования к электроприводам и системам управления станками определяются технологией обработки, конструктивными возможностями станка и режущего инструмента.
Основными технологическими требованиями являются обеспечение:
самого широкого круга технологических режимов обработки с использованием современного режущего инструмента;
максимальной производительности;
наибольшей точности обработки;
высокой чистоты обрабатываемой поверхности;
высокой степени повторяемости (стабильности) размеров деталей в обрабатываемой партии.
Удовлетворение всем этим и другим требованиям зависит от характеристик станка и режущего инструмента, мощности главного привода и электромеханических свойств приводов подач и систем управления.
1.5 Электроприводы подач
Расширение технологических возможностей и, в первую очередь, многооперационных, а также освоение нового твердосплавного и быстрорежущего инструмента обеспечили возможность проведения на одном станке различных технологических операций: фрезерование, сверление, растачивание и т.д. Это в свою очередь привело к усложнению приводов подач, вследствие увеличения вращающегося момента на валу двигателя, расширения диапазона рабочих подач и установочных перемещений, увеличения быстродействия привода, как при управляющем воздействии, так и при возмущении по нагрузке.
В последнее время конструкция станков претерпела существенные изменения, вследствие значительного сокращения механической части привода подач.
Исключение коробки передач привело не только к сокращению механической части привода, но также к повышению коэффициента полезного действия и снижению момента инерции электромеханического привода. В связи с этим снизилась нагрузка на двигатель при холостых перемещениях и возросла составляющая от резания в общей нагрузке приводов подач. В большинстве современных станков средних размеров нагрузка на двигатель при рабочих подачах без резания составляет не более 20 - 30 % от номинальной.
Полный диапазон регулирования в станках фрезерной, расточной и токарной групп составляет 100 - 1000, а в карусельной расширяется до 30000 - 40000. Реальный диапазон регулирования привода подачи каждой оси станка с ЧПУ при контурном фрезеровании бесконечен, так как минимальная подача от каждой оси в двух точках обрабатываемой поверхности (окружности) равна нулю.
Скорость быстрых перемещений зависит от характеристик механической части привода, дискретности управления, максимальной частоты вращения приводного электрического двигателя, коэффициента усиления по скорости следящего привода и максимального значения ошибки, запоминаемой системой числового программного управления.
На небольших токарных и сверлильных станках, в том числе для сверления печатных плат с большим количеством операций и малым ходом, наибольшее значение имеет быстродействие привода и систем ЧПУ. В этих случаях часто производительность ограничена самим станком.
Система ЧПУ также вносит ограничение минимального времени разгона и торможение привода. Как известно, система может запомнить ограниченную ошибку между заданным и действительным положением координатных осей станка. Эта ошибка в разных системах составляет от ± 5мкм до ± 10мкм. Из-за неудовлетворительных динамических свойств регулируемого электрического привода, особенно при возмущении по нагрузке, появляется недопустимая шероховатость поверхности, поэтому весьма важно обеспечить высокое быстродействие привода, особенно при сбросе и наброске нагрузки, а также при реверсе двигателя под нагрузкой при самых малых частотах вращения. Стабильность характеристик комплектного электропривода при достаточно большом коэффициенте усиления определяется стабильностью входного усилителя и датчика скорости - тахогенератора. Причем наибольшая нестабильность имеет место при малых частотах вращения, когда полученный сигнал соизмерим с дрейфом нуля усилителя и падения напряжения в щеточном контакте тахогенератора.
Таким образом, основные требования, предъявляемые к современным станочным электроприводам следующие:
минимальные габариты электрических двигателей при высоком вращающем моменте;
высокая максимальная скорость;
значительная нагрузочная способность в режиме кратковременной и повторной кратковременной нагрузке;
широкий диапазон регулирования;
высокая стабильность характеристик и, в первую очередь усилителей и тахогенератора;
высокое быстродействие при апериодическом характере переходных процессов разгона и торможения;
высокое быстродействие при наброске и сбросе нагрузки и при реверсе под нагрузкой на самых малых частотах вращения;
высокая равномерность движения при различной нагрузке на всех скоростях, вплоть до самых малых;
высокая надежность и ремонтопригодность;
удобство конструктивной установки двигателя на станке и встройки преобразователей в шкафы и ниши станков;
малые габаритные размеры и расход активных материалов;
небольшой расход дефицитных материалов;
простота наладки, ремонта и эксплуатации;
высокая унификация узлов отдельных элементов;
высокая экономичность и малая стоимость.
Как видно из перечисленных требований совмещение всех их в одном устройстве принципиально не возможно. Поэтому при проектировании и применении станочных приводов в каждом конкретном случае удовлетворение одним требованиям достигается в ущерб другим.
1.6 Обоснование модернизации
Шпиндель, система охлаждения, смазки и вентиляции работают от асинхронных двигателей и являются неуправляемыми.
По истечении лет электрооборудование отработало свой ресурс и вышло из строя. Нехватка финансовых средств на предприятии обуславливает неполную замену станка, а лишь отдельные его части: замена шагово-гидравлического привода. Основными недостатками привода являются: низкие динамические показатели. В качестве приводов подач в станках с ПУ, в настоящее время, большое применение, находят тиристорные преобразователи (ТП).
Основное преимущество ТП - высокий КПД (95 - 99%) и высокое быстродействие (они практически безинерционы), ремонтопригодность.
2. Расчетная часть
.1 Выбор двигателя и преобразователя
Для выбора мощности ЭД необходимо рассчитать силы, которые действуют на заготовку и режущий инструмент. На рисунке 2 представлен схематический процесс обработки с размещением сил резания.
Рисунок 2 - Схематический процесс обработки
Воспользуемся методикой расчета, которая применяется при конструировании ЭП подач станков.
Произведем расчеты для выбора двигателя привода подачи по координате Z для нахождения момента сопротивления на валу двигателя и требуемой мощности.
Фактическая мощность ЭД определяется по формуле:
 , (1)
где nном- номинальная частота вращения ЭД, мин-1;
Мv- суммарный момент сопротивления перемещению, приведенный к валу двигателя, Нм.
Величина момента Мz рассчитывается по формуле
 , (2)
где Fv- тяговая сила, необходимая для преодоления сил полезного сопротивления, Н;s- шаг винта, принимаем hs=0.02м;
 - КПД редуктора,  - передаточное число редуктора, т.к. редуктор убирается из модернизированного станка, то принимаем  , .
Сила Fv определяется по формуле:
 , (3)
где Kп- коэффициент, учитывающий влияние опрокидывающего момента, который возникает вследствие несимметричного приложения силы подачи, для суппортов горизонтально - расточных станков принимаем Кп=1.1;z- составляющая сила резания, действующая в направлении подачи, Н;c- сила трения в направляющих, определяется по формулам, рекомендуемым нормалью станкостроения Н48-61:
 , (4)
где Qc- вес суппорта:
 , (5)
 =1300·9.84=12,7кН=0.01 приведенный коэффициент трения;y, Pz- составляющие силы резания Н, определяются по предложенным режимам резания базового ТП.
Рассчитаем силы резания по формуле:
 , (6)
где t- глубина резания, t=0.02м;
s- подача, s=2мм/об;p, x, y, n- постоянные коэффициенты и показатели степени для расчетных условий, которые соответственно равны: 339, 0.5, 0.55, 0.5;p- поправочный коэффициент, учитывающий фактические условия обработки, Kp=1.1;
v - Скорость резания, v=15м/мин.
Осевая сила резания составляет:
Тангенциальную Pz и радиальную Py составляющие силы резания определяем из соотношения:
Px: Py: Pz= 1: 0.4: 0.25, (7)
отсюда Pх=1,16 кН; Py= 0,725 кН.
Таким образом, необходимая тяговая сила составляет:
Момент сопротивления, приведенный к валу двигателя:
 .
Рассчитанное значение момента используем для определения серии ЭД.
Расчетное значение требуемой мощности ЭД:
 кВт.
Определив момент сопротивления на валу двигателя, требуемую мощность привода подач с номинальным вращающим моментом Мн=10,5 Нм, частотой nн=1500 об/мин и расчетным значением мощности  выбираем привод взамен старого АОЛ-11.Проанализировав возможные варианты принимаем решение установить тиристорный преобразователь серии КЕМРОН исходя из следующих данных.
Основное преимущество ТП - высокий КПД (95 - 99%) и высокое быстродействие (они практически безинерционы), возможность управления , ремонтопригодность.
Применение ТП в электроприводе главного движения позволит:
улучшить удельные энергетические показатели на 50%;
достичь повышенной управляемости и быстродействия объекта регулирования;
уменьшить габариты и массу;
сократить число сбоев оборудования, вследствие своей высокой надежности и меньшего диапазона изменения своих параметров в случае непостоянства температуры.
Выбираем преобразователь тиристорный с частотным управлением двигателем постоянного тока.
2.2 Назначение, технические данные и устройство электропривода КЕМРОН
Электроприводы типа «Кемрон» находят широкое применение в приводах подач металлорежущих станков благодаря высоким статическим и динамическим характеристикам, а также большому количеству типоразмеров (от 1,5 Нм до 170 Нм).
В комплект привода входят:
тиристорный преобразователь;
высокомоментный двигатель- постоянного тока со встроенными тахогене-ратором, резольвером, электромагнитным тормозом и позистором;
силовой трансформатор;
уравнительные дроссели;
быстродействующие силовые предохранители.
Наличие тормоза, резольвера и величины передаточного отношения к нему определяются, заказчиком, так же как и количество координат при одном общем силовом трансформаторе. Он представляет собой однокоординатный модуль, выполненный по блочной конструкции, обеспечивающей свободный доступ ко всем элементам и контрольным точкам.
Комплектные электроприводы с высокомоментными электродвигателями постоянного тока типа 23МВН2СР-М(1М).
номинальный момент (длительный)23Нм
номинальная частота вращения750 мин
максимальная частота вращения1500 мин
полоса пропускания частот≥20 Гц
номинальный ток40А
максимальный кратковременный ток 250А
коэффициент неравномерности при
= 0.15 мин -1≤0,3
среднее ускорение 1300/2000 рад/сек
управляющие напряжение при максимальной частоте вращения±10V
пульсации управляющего напряжения±2%
напряжение питания3
38ОV
частота напряжения питания50Н2 + 2%Тиристорный преобразователь типа 4AEBL6.
Напряжение питания205V
максимальное выпрямленное напряжение160V
номинальный ток40А
максимальный кратковременный ток, 250
управляющее напряжение ;О-10V
пульсации управляющего напряжения ≤2%
масса 11 кгСиловой трансформатор7,7-380/205
Технические параметры
Номинальное входное напряжение (V)3-380
Допустимое отклонение+10..-15
Частота сети50 ± 2%
Номинальное линейное выходное напряжение205
Номинальная мощность (кYA) 7,7
Описание работы преобразователя
Преобразователь выполнен по двухконтурной схеме подчиненного регулирования с регуляторами скорости и тока. Управление преобразователем - согласованное нелинейное на низких скоростях и раздельное на высоких скоростях (более 300 об/мин). Предусмотрено адаптивное управление коэффициентами усиления контура скорости на низких скоростях.
Большое число электронных защит исключает выходы из строя элементов преобразователя в аварийных ситуациях.
Блок-схема привода приведена на рисунке 3, где PC - регулятор скорости;
РТ-регулятор тока- РУТ - регулятор уравнительного тока; ИНВ - инвертор; СИФУ - система импульсно-фазового управления; АР-адаптивный регулятор; КЗ - корректирующее звено; ФП - функциональный преобразователь нелинейного токоограничения; ПЭ - пороговый элемент; НТО- нелинейное токоограничение; ОС - защита от превышения максимального тока; OL - защита от длительной перегрузки; OS - защита от превышения максимальной частоты вращения; TG-защита от обрыва цепи тахогенератора; СР - защита от обрыва фазы и неправильного чередования фаз; БЗ- блок защиты; ТР - силовой трансформатор; ТП - тиристорный преобразователь; Я - двигатель; ТГ - тахогенератор; L - уравнительные дроссели; Sh-шунт (датчик тока); БП- блок питания.
Приступим к подробному описанию принципиальной схемы привода.
Силовая схема (рисунок 4) преобразователя выполнена по реверсивной шести-пульсной однополупериодкой схеме выпрямления с уравнительными дросселями. Такая схема обеспечивает высокую полосу пропускания привода (до 40 Гц) и высокие динамические свойства, что оправдывает ее повышенную сложность.
Силовой трансформатор осуществляет согласование напряжения электродвигателя с напряжением сети питания. Обмотки трансформатора включены по схеме «треугольник - двойной зигзаг», чем достигается исключение потока вынужденного намагничивания и, как следствие, экономия стали. Векторная диаграмма напряжений силовой части приведена на рисунке 4.
Следует сделать некоторые пояснения к маркировке выводов силового трансформатора и построению векторной диаграммы. Применен трехфазный трансформатор с четырьмя обмотками на каждом стержне. Маркировка обмоток, расположенных на одном стержне, имеет однотипные буквы, например, первого стержня:
(А-X) - первичная обмотка;
(а-х, а1-х1, а2-х2) - вторичные обмотки.
Рисунок 3 - Блок-схема привода «Кемрон»
Рисунок 4 - Силовая схема
Соединения в точках а2-b2-с2, сделаны внутри намотки и недоступны при эксплуатации.
Пофазный принцип маркировки выводов вторичной обмотки трансформатора может вызвать затруднения при анализе фазировок силового напряжения и управляющих импульсов СИФУ, поэтому на рисунке 5 указано двойное обозначение. Физической прямой последовательности фаз R-S-Т-R-S-Т шестипульсиого напряжения соответствует последовательность Z1-Z-Х1-X-Y1-Y по фактическим обозначениям на выводных клеммах силового трансформатора.
При монтаже привода к выводам выпрямителя 1, 2, 3 подключаются инверсные фазы R, S, Т (или X, У, Z), а к выводам 4, 5, 6 прямые фазы R, S, Т
(или Z1, X1, Y1) соответственно.
Для защиты тиристоров от коммутационных перенапряжений они охвачены RС-цепочками. Общая защита выполнена на быстродействующих предохранителях во вторичной цепи силового трансформатора.
Регулятор скорости (рисунок 6) представляет собой пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор и выполнен на трех операционных усилителях с раздельной регулировкой коэффициентов пропорционального усиления и времени интегрирования.
Первый каскад, на микросхеме ИС62, осуществляет пропорциональное усиление, второй каскад, на микросхеме ИС63,- регулирование времени интегрирования, и третий каскад, на микросхеме ИС64,- суммирование ошибки и ее интеграла. Регулятор скорости инвертирует входной сигнал (рисунок 7). Предусмотрен «ключ» на встречно включенных полевых транзисторах Т106-Т107, блокирующий регулятор скорости при срабатывании защиты. Он же создает нулевые начальные условия интегрирования при первоначальном включении привода. В цепи обратной связи по скорости предусмотрено корректирующее звено (С247, R353), поз-
|
Скачать 5.84 Mb.