Органи керування: 1 - панель керування; 2 - рукоятка для перемикання трьох діапазонів обертання шпинделя; 3 - панель, розташована на каретці; 4 пульт керування “Електроніка НЦ31”; 5 - кнопка “Аварійний стоп”; 6 - рукоятка ручного затиску пінолі задньої бабки; 7 - панель керування приводами; 8 - рукоятка ручного затиску задньої бабки на станині; 9 - рукоятка налагоджувального (ручного) переміщення каретки; 10 - здвоєна педаль переміщення пінолі задньої бабки; 11 - лінійка з кулачками для регулювання величини повздовжнього переміщення супорту; 12 - блок електричних шляхових вимикачів; 13 - педаль керування патроном (затиск оброблюваної деталі)

У межах кожного діапазону частота обертання регулюється безступінчасто шляхом зміни частоти обертання електродвигуна М1.

Для отримання першого діапазону частот обертання рух від валу ІІ через зубчасті колеса Z=45 і Z=45 передається на вал ІІІ, потім через зубчасті колеса Z=24 і Z=66 - на вал IV та далі через зубчасті колеса Z=30 і Z=60 - на вал V (шпиндель).

Для отримання другого діапазону подвійний блок зубчастих коліс на шпинделі (вал V) вводиться в зачеплення з колесом Z=30 на валу ІІ, зубчасте колесо Z=45 на валу ІІІ виводиться з зачеплення з колесом Z=45 на валу ІІ.

Для отримання третього діапазону колесо Z=48 на шпинделі вводиться в зачеплення з колесом Z=60 на валу ІІ, а колесо Z=45 на валу ІІІ виводиться з зачеплення з колесом Z=45 на валу ІІ. Зубчасті колеса Z=60 на валах V i VI використовуються для обертання датчика ВЕ-178 різьбонарізання.

Зубчасте колесо Z=60 на валу V - розрізне та використовується для вибірки зазору з метою запобігання розузгодженню положень шпинделя та датчика.

У приводі поперечної подачі супорту застосовується електродвигун М2 (регульований високомоментний постійного струму або частотно-регульований асинхронний). Від електродвигуна М2 обертання передається через редуктор з передаточним відношенням 1:1 (зубчасті колеса Z=40 і Z=40) на кульково-гвинтову передачу із кроком 5мм. Зворотній зв'язок по переміщенню здійснюється за допомогою фотоімпульсного датчика ВЕ-178.

Кінематичний ланцюг поздовжньої подачі супорту включає: електродвигун М3 (зубчасті колеса Z=50 і Z=50); кульково-гвинтову передачу із кроком 10мм; датчик ВЕ-178.

Шестипозиційна револьверна голівка із горизонтальною віссю обертання встановлюється на поперечному супорті. В інструментальній голівці можуть закріплюватись шість різців - вставок, або три інструментальні блоки. Кінематичний ланцюг механізму повороту револьверної голівки включає: асинхронний електродвигун М4; зубчасті колеса Z=2 і Z=62; черв'ячну передачу Z=1 і Z=38.

Асинхронний нерегульований електродвигун М5 використовується у приводі шестеренного насосу ВГ11-11А, який здійснює централізоване змащування верстату.

Задня бабка закріплюється на станині за допомогою рукоятки, ексцентрикового валу та системи важелів. Піноль переміщується вручну (за допомогою маховика) або використовуючи електропривод.

Верстат оснащено трьохкулачковим патроном з електромеханічним приводом затиску оброблюваних деталей. Кулачки патрону переміщуються у радіальному напрямку в результаті поступального руху клину, зв'язаного із тягою. Останній з'єднано гвинтом-штоком із електромеханічною голівкою, яка представляє собою спеціальний асинхронний електродвигун із вбудованою у ротор гайкою.

1.3 Основні вимоги до верстатних електроприводів

Основні вимоги, що пред'являються до верстатних електроприводів

Вимоги до електроприводів і систем керування верстатами визначаються технологією обробки, конструктивними можливостями верстата і ріжучого інструменту.

Основними технологічними вимогами є забезпечення:

--найширшого круга технологічних режимів обробки з використанням сучасного ріжучого інструменту;

--максимальній продуктивності;

--найбільшій точності обробки;

--високої чистоти оброблюваної поверхні;

--високому ступеню повторюваності розмірів деталей в оброблюваній партії (стабільності).

Задоволення всім цим і іншим вимогам залежить від характеристик верстата і ріжучого інструменту, потужності головного приводу і електромеханічних властивостей приводів подач і систем керування.

При всьому різноманітті верстатів вимоги, що пред'являються до приводів верстатів, визначаються головним чином не тим, до якої групи відноситься верстат, а для якого руху призначений привід: головного, подачі або допоміжного. Саме це визначає потужність, спосіб і діапазон регулювання швидкості, необхідну плавність регулювання, вимоги до жорсткості і стабільності характеристик, вимоги до динаміки.

Електроприводи головного руху.

Потужність, що розвивається при різанні, визначається швидкістю різання і зусиллям різання. Зусилля різання Fz визначається подачею і глибиною різання при незмінних матеріалах і геометрії різця і заготівки.

Для приводів головного руху найбільш раціональним є спосіб регулювання швидкості з постійною потужністю, оскільки великим швидкостям різання відповідають менші зусилля різання, а меншим ськоростям- великі зусилля.

Діапазон регулювання частоти обертання визначається межами швидкостей різання і діаметрів оброблюваних виробів. Це визначається тим, що на універсальних верстатах можуть оброблятися деталі з різних матеріалів і різних розмірів, зокрема різних діаметрів. Для обробки виробів однакового діаметру з різних матеріалів необхідно забезпечити певний діапазон регулювання швидкості різання. З іншого боку, раціональна обробка виробів з одного і того ж матеріалу, але різних діаметрів, вимагає постійної швидкості, м/хв

Дотримання умови v = const досягається регулюванням швидкості приводу з діапазоном регулювання, визначуваним діапазоном діаметрів. Так, для токарних верстатів з діаметром встановлюваних виробів d від 320 до 1000 мм необхідний діапазон регулювання частот обертання близько 50, а для токарно-карусельних верстатів з діаметром оброблюваного виробу від 1250 до 4000 мм він доходить до 80.

У високоавтоматизованих верстатах з числовим програмним керуванням (ЧПУ) функції, що виконуються електроприводом головного руху, значно ускладнені. Крім стабілізації частоти обертання, при силових режимах різання потрібне забезпечення режимів позиціонування шпінделя при автоматичній зміні інструменту і виробництві легких довбальних і строгальних робіт, а також можливість нарізування різьблення як мітчиками, так і різцями. Це неминуче веде до збільшення необхідного діапазону регулювання частоти обертання. Так, при необхідній точності позиціонування шпінделя 0,1 і максимальній частоті обертання двигуна 3000-5000 об/мин сумарний діапазон зміни частоти обертання повинен бути не менше 10 000.

Електромеханічний спосіб регулювання швидкості (частоти обертання) для приводів головного руху є найбільш перспективним. Необхідний технологічний діапазон регулювання швидкості шпінделя з постійною потужністю, рівний 20-50 при двухступенчатой коробці швидкостей, можна забезпечити при електричному регулюванні швидкості двигуна з постійною потужністю в діапазоні 5 : 1 - 10 : 1, що цілком здійсненно при сучасних ДПТ. На швидкостях нижче номінальних регулювання здійснюється з постійним моментом. Таким чином, виходить двозонне регулювання швидкості. При невеликій потужності головного приводу застосовують однозонное регулювання швидкості з постійним моментом.

Плавність регулювання при ступінчастому регулюванні швидкості встановлюється з наступного ряду: 1,06; 1,12; 1,26; 1,41; 1,58; 1,78; 2. При електричному регулюванні можливо забезпечити плавність <1.

Стабільність роботи приводу характеризується перепадом частоти обертання при зміні навантаження, напруги живлячої мережі, температури навколишнього повітря і т.п. Погрішність регулювання визначається підсумовуванням наступних відхилень: відхилення частоти обертання при зміні навантаження на - 0,4 Iном по відношенню до 0,6 Iном при номінальній напрузі живлення і постійній температурі навколишнього середовища 20±5 °С; зміна частоти обертання при зміні температури навколишнього середовища від 20 ± 5 до 45 °С при живленні номінальною напругою при номінальному навантаженні Iном; зміна частоти обертання при зміні напруги живлення на ±10 % до номінального при холостому ході і постійній температурі.

Електроприводи подачі

Розширення технологічних можливостей верстатів і в першу чергу багатоопераційних (оброблювальних центрів), а також освоєння нового твердосплавного і швидкорізального інструменту забезпечили можливість проведення на одному верстаті різних технологічних операцій: фрезерування, свердлення і розточування; точіння, свердлення і розточування і т.д.

Це у свою чергу привело до ускладнення електроприводів подач унаслідок збільшення моменту, що обертав, на валу двигуна, розширення діапазону робочих подач і настановних переміщень, збільшення швидкодії приводу як при дії, що управляє, так і при обуренні по навантаженню и.т. д.

Останніми роками істотно змінилася конструкція верстатів унаслідок значного скорочення механічної частини приводів подач. У ряді випадків стала можливою установка високомоментних двигунів, що мають менші габаритні розміри в порівнянні із звичайними ДПТ з електромагнітним збудженням, безпосередньо на ходовий гвинт. Виключення коробки передач привело не тільки до скорочення механічної частини приводу, але також і до підвищення ККД і зниження моменту інерції електромеханічного приводу. У зв'язку з цим знизилося навантаження на двигун при неодружених переміщеннях і зросла складова від різання в загальному навантаженні приводів подач. У більшості сучасних верстатів середніх розмірів навантаження на двигун при робочих подачах без різання складає не більше 20-30 % номінальною.

Зростання складової від сил різання в загальному навантаженні на привід подачі збільшило коливання навантаження на електроприводі подачі при різанні, що посилило вимогу до статичної і динамічної жорсткості приводу подачі.

Збільшення швидкості швидких переміщень до 10 м/мін, зниження швидкості настановних переміщень привело до значного збільшення діапазону регулювання. Максимальна робоча подача на сучасних багатоопераційних верстатах складає 10-30 % швидкості швидких переміщень.

Повний діапазон регулювання у верстатах фрезерної, розточувальної і токарної груп складає 100-10000, а в карусельних розширюється до 30000-40000. Реальний діапазон регулювання приводу подачі кожної осі у верстатах з ЧПУ при контурному фрезеруванні нескінченний, оскільки мінімальна подача по кожній осі в двох точках оброблюваного кола рівна нулю.

Швидкість швидких переміщень залежить від характеристик механічної частини приводу, максимальної частоти сигналу керування приводом від системи ЧПУ, дискретності керування, максимальної частоти обертання приводного електродвигуна, коефіцієнта редукції передачі від двигуна до механізму, коефіцієнта посилення стежачого за швидкістю приводу і максимального значення помилки, системою, що запам'ятовується, ЧПУ.

Наприклад, в серійних системах ЧПУ Н33 максимальна частота імпульсів, що управляють, в пристрої керування приводом f = 8000 Гц при дискретності ь = 0,01 мм, максимальна швидкість подачі vб,х = 80мм/с = 4800 мм/мін; у системі ЧПУ Н55 максимальна частота f = 16 000 Гц і максимальна швидкість відповідно рівна vб,х = 9,6 м/мін.

На невеликих токарних і свердлувальних верстатах, зокрема для свердлення друкарських плат з великою кількістю операцій і малим ходом, найбільше значення має швидкодію приводу і систем ЧПУ. У цих випадках часто продуктивність обмежена самим верстатом. Відповідно до граничних характеристик передач гвинт -гайка кочення визначаються максимальна необхідна частота обертання двигуна і максимально допустиме прискорення як відношення максимального моменту, що обертає, до власного моменту інерції гвинта. Таким чином, у кожному конкретному випадку може бути знайдено мінімально допустимий час перехідного процесу за умовами механічної міцності передачі гвинт -гайка кочення.

Система ЧПУ також вносить обмеження мінімального часу розгону і уповільнення приводу. Як відомо, система може запам'ятати обмежену помилку між заданим і дійсним положеннями координатних осей верстата. Ця помилка в різних системах складає від ± 0,5 мм (Н22, НЗЗ, Н55) до ± 10 мм (1Н22, розмір 4) при лінійній залежності сигналу, керівника електроприводом, від помилки. Це розузгодження може бути збільшене в перехідних режимах за наявності так званого накопичувача в системі ЧПУ відповідно до ± (3-5) мм і до ± 20 мм. При цьому сигнал керування приводом залишається на незмінному рівні, відповідному розузгодженню ± 0,5 або ± 10 мм, до виходу системи з накопичувача. Із-за незадовільних динамічних властивостей регульованого електроприводу, особливо при обуренні по навантаженню, з'являється шорсткість поверхні, тому вельми важливо забезпечити високу швидкодію приводу при скиданні і набросе навантаження, а також при реверсі двигуна під навантаженням на найменших частотах обертання (контурне фрезерування в режимі кругової інтерполяції). Для електроприводів подач зміна частоти обертання при набросе і скиданні навантаження 0,5 Мном щодо рівня 0,5 Мном не повинне перевищувати 100 % при п=0,001пном і часі відновлення 100 мс. Час реверсу під навантаженням Мном п=0,001пном не більше 0,5 з.

Стабільність позиціонування і обробки в значній мірі залежить від стабільності електромеханічної системи приводів подач, яка визначається стабільністю її ланок і в першу чергу приводу, датчика положення і системи ЧПУ. Стабільність характеристик комплектного електроприводу при чималому коефіцієнті посилення визначається стабільністю вхідного підсилювача і датчика швидкості - тахогенератора. Причому найбільша нестабільність має місце при малих частотах обертання, коли корисний сигнал порівняємо з дрейфом нуля підсилювача і падінням напруги в щітковому контакті тахогенератора. Саме тому в більшості широкорегуліруємих приводів, що випускаються провідними зарубіжними електротехнічними фірмами, застосовуються високостабільні вхідні напівпровідникові підсилювачі і встановлюються срібні щітки на тахогенераторе. Порядок величин, що характеризують допустимі нестабільності вхідного сигналу і сигналу зворотного зв'язку, можна визначити з наступних міркувань. У більшості систем ЧПУ помилці в 10 мм відповідає сигнал керування приводом, приблизно рівний 10 В. Таким образом, нестабільності сигналу в 1 мв відповідає помилка 1 мкм. А оскільки нестабільність приводу подачі є нестабільності позиціонування і обробки, що лише становить в загальній частці, то можна судити про виключно високі вимоги до стабільності характеристик регульованого електроприводу. Формули, по яких розраховуються погрішності, ті ж, що для головного приводу.

Іншим чинником, що впливає на стабільність, а отже, і на ідентичність параметрів при обробці деталей, є характер перехідного процесу по дії, що управляє, в замкнутих системах стежачого і регульованого електроприводів.

Іншим чинником, що впливає на стабільність, а отже, і на ідентичність параметрів при обробці партії деталей, є характер перехідного процесу по дії, що управляє, в замкнутих системах стежачого і регульованого електроприводів. При аперіодичному перехідному процесі і русі в один бік не відбувається розкриття люфтів в механічних вузлах, а також відсутній вплив гістерезису, що приводить до істотного підвищення стабільності і точності позиціонування і обробки.

Відповідно до проведеного аналізу можна сформулювати якісні вимоги до верстатних електроприводів. Кількісні оцінки повинні бути визначені конкретно стосовно кожної групи верстатів. Установка у всіх верстатах надточних, надшвидкодіючих і надстабільних електроприводів зв'язана із значними технічними труднощами і необгрунтовано високими економічними витратами.

Таким чином, основні вимоги, що пред'являються до сучасних верстатних електроприводів, наступні:

-- мінімальні габарити електродвигуна при високому моменті, що обертає; висока максимальна швидкість;

-- значна перевантажувальна здатність приводу в режимах короткочасного і повторно-короткочасного навантаження;

-- широкий діапазон регулювання;

-- висока стабільність характеристик і в першу чергу підсилювача і тахогенератора;

-- висока швидкодія при аперіодичному характері перехідних процесів розгону і гальмування;

--висока швидкодія при накиданні і скиданні навантаження і при реверсі під навантаженням на найменших частотах обертання;

-- висока рівномірність руху при різному навантаженні на всіх швидкостях аж до найменших;

-- висока надійність і ремонтоздатність;

-- зручність конструктивної установки двигуна на верстаті і встройки перетворювачів в шафи і ніші верстатів;

-- малі габаритні розміри і витрата активних матеріалів; невелика витрата дефіцитних матеріалів;

--простота наладки, ремонту і експлуатації;

--висока уніфікація вузлів і окремих елементів; висока економічність і мала вартість.

Як видно з перерахованих, а також багатьох інших вимог, поєднання всіх їх в одному пристрої принципово неможливо. Тому при проектуванні і застосуванні верстатних електроприводів у кожному конкретному випадку задоволення одним вимогам досягається в збиток іншим.

Через це для правильного вибору електроприводів верстатів дуже важливо мати можливо повніший перелік характеристик вживаних електроприводів і що в першу чергу задовольняють відміченим вимогам.

2. Розрахунок параметрів для вибору двигуна

2.1 Початкові дані

Розрахунок параметрів механізмів і вибір двигуна для приводу повздовжньої подачі металообробного станка

Початкові дані наведені в табл.

Час розгону до швидкості скорого ходу tп.п = 0,4 с

Тривалість вмикання ПВ=90%

Момент інерції редуктора кг/м2

Вид направляючих - кочення

Матеріал заготовок - сталь

Матеріал ріжучого інструменту -швидкоріжуча сталь

Глибина різання t =0,8 мм

Подача S = 0.6

Швидкість різання V = 4 м/хв

Маса вузла подачі m=400 кг

2.2 Розрахунок зусилля та потужності різання

Зусилля, яке прикладається до ріжучої кромки інструменту, може бути розкладене на три складові (див. рис. 2.1):

де Fz - головна дотична сила, яка діє у напрямку головного руху (сила різання, яку долає шпиндель верстату); Fy -радіальна сила, яка діє нормально до оброблюваної поверхні (сила, яку долає поперечна подача); Fx -осьова сила, яка діє паралельно до оброблюваної поверхні (сила, яку долає поздовжня подача).

Розрахунок зусилля різання проводиться за формулою:

де t- глибина різання, мм; s- величина подачі, мм/об; v- окружна швидкість різання, мм/хв..; CFz, XFz, YFz, n- коефіцієнт та показники ступеня, які залежать від різновиду та режиму металообробки ; Kпz - загальний поправочний коефіцієнт, який враховує зміни умов металообробки (особливості геометрії різця, його спрацьованість, умови охолодження, стан поверхні заготовки, для даних умов приймається рівним 1).

У відповідності із заданими матеріалами коефіцієнти та показники ступеня будуть мати наступні числові значення [Теряєв]

Таким чином зусилля по осі z рівне

За аналогічними формулами розраховуються складові зусилля різання Fy та Fx :

Для орієнтовних розрахунків можна приймати:

Fy 0,4Fz =0,4*1068=427 Н

Fx 0,3Fz . =0,3*1068=320,4 Н

2.3 Визначення швидкості двигуна подачі

Для перетворення обертального руху двигуна у поступальний рух вузла подачі при довжині переміщень до 4 метрів звичайно використовують передачу ходовий гвинт - гайка, більше 4 метрів - передачу шестерня - рійка.

Кінематична схема привода подачі з передачею ходовий гвинт - гайка представлена на рис. 4.1.

Двигун подачі 1 через редуктор 2 обертає ходовий гвинт 3. За допомогою гвинтової пари обертальний рух ходового гвинта перетворюється у поступальний рух вузла подачі 4.

По можливості з кінематичної ланки приводу подачі прагнуть виключити редуктор та з'єднати двигун безпосередньо з ходовим гвинтом. Це дозволяє підвищити точність приводу подачі за рахунок виключення люфта редуктора, зменшити сумарний приведений момент інерції та втрати в кінематичному ланцюзі.

Швидкість двигуна подачі nдв визначається заданою лінійною швидкістю переміщення вузла подачі та передаточним відношенням кінематичного ланцюга:

- для передачі гвинт - гайка:

де V - лінійна швидкість вузла подачі, мм/хв.; ip - передаточне відношення редуктора; tг - крок гвинта, мм.

За формулою (2.1) розраховують максимальну швидкість двигуна подачі nдв.max, яка відповідає переміщенню вузла подачі на неробочому бистрому ході Vб.х.:

а також номінальну швидкість пдв.ном., яка відповідає максимальній швидкості робочої подачі Vр.max.

2.4 Визначення моментів двигуна для статичних режимів

Статичний момент на валу двигуна подачі визначається зусиллям, яке долає привод у напрямку подачі при сталому русі виконавчого органу Fп, та ККД кінематичного ланцюга привода подачі.

В загальному випадку зусилля Fп в режимі різання визначається за формулою:

де: к - коефіцієнт запасу, к=1…1,5; Fx - складова зусилля різання у напрямку подачі, Н; - коефіцієнт тертя; N - сума нормальних сил, діючих на напрямні, Н; Fн - зусилля від попереднього натягу в передачі гвинт - гайка, Н.

Статичний момент на валу двигуна подачі за відомим зусиллям подачі визначається через радіус інерції

де: - радіус інерції, м; - загальний коефіцієнт корисної дії механічної передачі.

Радіус інерції для передачі ходовий гвинт - гайка:

Загальний коефіцієнт корисної дії кінематичного ланцюга привода подачі з редуктором: де: 1=0,95 - ККД передачі гвинт - гайка без натягу (з натягом 1=0,85…0,9); 2=0,85…0,9 - ККД зубчастого редуктора. При установленні двигуна безпосередньо на ходовий гвинт: .

Основними режимами руху привода подачі є режим різання з робочою подачею та режим руху на бистрому ході для здійснення установчих переміщень, коли різання відсутнє.

При сталому русі у режимі різання з робочою подачею, зусилля подачі Fп1 складається згідно (2.2) із зусилля різання у напрямку подачі Fx, зусилля тертя у рухомих ланках механізму подачі F та зусилля натягу Fн.

Основною складовою зусилля тертя в механізмі подачі є тертя в напрямних вузла подачі. Тертя у парі гвинт-гайка, підшипниках ходового гвинта та в редукторі незначне і враховується відповідним ККД.

При розрахунку зусилля тертя до суми нормальних сил, діючих на напрямні N , слід включити вагу вузла подачі, вагу деталі, якщо вона розміщується на вузлі подачі, а також складові зусилля різання Fy, Fz, якщо вони діють перпендикулярно до напрямних.

При переміщенні вузла подачі в горизонтальній площині:

де: mв.п. - маса вузла подачі, кг; mдет. - маса деталі, кг (враховується у випадках встановлення деталі на вузлі подачі); g - прискорення сили тяжіння 9,81 м/с2.

Відповідно статичний момент на валу двигуна рівний:

Коефіцієнт тертя залежить від матеріалів поверхонь, що труться, їх змащування та конструкції напрямних. Звичайно для напрямних ковзання зі змащуванням приймають =0,1, для напрямних катання =0,005…0,01.

Для вузлів подачі, які переміщуються у вертикальній площині, слід враховувати додаткове зусилля від ваги переміщуваних вузлів, а також той факт, що навантаження від сил тертя пристроїв, які переміщуються вертикально, дорівнює нулю.

Для вузлів подачі, які переміщуються в горизонтальній площині:

Статичний момент при сталому русі на швидкому ході - М2 визначається через зусилля Fп2 згідно (2.3) для передачі гвинт - гайка:

де tг - крок гвинта, м;

Попередньо вибирають двигун з номінальним моментом у діапазоні робочих швидкостей при різанні nр.max …nр.min , більше статичного розрахункового моменту у режимі різання:

Мдв.ном М1, а також з моментом на швидкості бистрого ходу nб.х., більшим від статичного моменту опору на бистрому ході:

Мдв.б.х. М2.

При відсутності паспортного значення моменту двигуна на швидкості бистрого ходу, його величина може бути розрахована:

.

Для повторно-короткочасного режиму роботи двигун вибирають не за М1, а за моментом

де ТВ - тривалість вмикання у відсотках.

2.5 Визначення моментів двигуна для динамічних режимів

Попередньо вибраний двигун перевіряють з урахуванням динамічних навантажень. Для цього визначають момент двигуна у перехідних режимах М3, необхідний для подолання сил тертя при пуску з місця та надання інерційним масам механізму подачі завданого прискорення.

де М2 момент тертя при пуску з місця; Мдин - динамічна складова моменту.

Момент М2 визначається згідно (2.4) аналогічно моменту тертя на швидкому ході М2, але при розрахунку зусилля подачі Fп2 в формулі (2.3) треба використовувати підвищене значення коефіцієнту тертя =0,015 для напрямних катання :

Динамічна складова моменту двигуна визначається сумарним моментом інерції механізму, приведеним до валу двигуна і власним моментом інерції двигуна з урахуванням моментів інерції датчиків швидкості та кута повороту, якщо вони є, та прискоренням , яке повинен розвивати двигун:

Сумарний момент інерції механізму, приведений до валу двигуна:

де Jв.п - момент інерції поступально переміщуваних частин вузла подачі, приведений до валу двигуна; Jг - приведений момент інерції ходового гвинта; Jр - приведений момент інерції редуктора.

Приведений момент інерції поступально переміщуваних частин вузла подачі:

де mв.п - маса вузла подачі, кг; mдет - маса деталі, кг (враховується у випадках встановлення деталі на вузлі подачі); - радіус інерції, м).

Приведений момент інерції редуктора

Приведений момент інерції ходового гвинта:

де: Dг - середній діаметр ходового гвинта, м; lг - довжина ходового гвинта, м; - густота матеріалу гвинта; для сталі =7,8103 кг/м3.

Якщо кутове прискорення невідоме, то в завданні на проектування вказують лінійне прискорення вузла подачі, або час розгону до швидкості швидкого ходу tп.п .

Кутове прискорення визначається через лінійне за формулою:

де а - лінійне прискорення, м/с2; - радіус інерції, м.

При заданому часі розгону до швидкості бистрого ходу tп.п., кутове прискорення може бути визначене через швидкість бистрого ходу:

де Vб.х. - швидкість бистрого ходу, мм/хв.; tг - шаг ходового гвинта, мм; ір - передаточне число редуктора.

Таким чином, для випадку відпрацювання електроприводом ступінчастого керуючого сигналу динамічний та повний моменти в перехідному режимі розгону до швидкості бистрого ходу складатимуть, відповідно:

Перевірка попередньо вибраного двигуна на динамічні навантаження забезпечується виконанням умови:

тобто максимально допустимий момент двигуна на час розгону до швидкості бистрого ходу tп.п. повинен бути не менше повного моменту в перехідному режимі М3, необхідного для подолання сил тертя та надання інерційним масам механізму заданого прискорення.

2.6 Перевірка умов придатності електродвигуна

В результаті проведених розрахунків були визначені: необхідний момент двигуна у сталому режимі на робочих подачах по подоланню сил тертя та складових зусилля різання при обробці деталі М1; момент двигуна у сталому режимі при неробочому бистрому ході М2; момент двигуна в перехідному режимі розгону до швидкості бистрого ходу М3; швидкість бистрого ходу nб.х.

Параметри обраного електродвигуна повинні задовольняти наступним нерівностям:

Якщо попередньо вибраний двигун не задовольняє хоча б однієї з наведених нерівностей, необхідно вибрати двигун більшої потужності та повторити розрахунки.

Після вибору конкретного електродвигуна слід скорегувати величину Jд, у формулі (2.5) для розрахунку Мдин, який є складовою моменту М3, та повторно здійснити перевірку умови Мдв.max М3.

Слід зазначити, що якщо в обраній системі електроприводу не передбачено регулювання швидкості двигуна вище номінальної, то умови застосовуються у вигляді Мдв.ном М2, пдв.ном nб.х.

2.7 Побудова тахограми та навантажувальної характеристики

План побудови тахограми включає наступні пункти:

1)Час розгону до робочої швидкості подачі:

с

2) Прискорення під час розгону до швидкості подачі:

м/с2

3) Шлях пройдений під час розгону до швидкості подачі:

м

4)Час усталеної роботи:

с

0,9- максимальна довжина заготовки , м

5)Час подачі

с

6)Час розгону до швидкості бистрого ходу:

с

7) Шлях пройдений під час розгону до швидкості бистрого ходу:

м

8)Час усталеної роботи при швидкості бистрого ходу:

с

9) Час роботи при швидкості бистрого ходу:

с

10) Час роботи двигуна:

с

6) Час паузи :

 с

7) Час циклу

с

Виконується розрахунок діаграми навантажень:

1) При розгоні до робочої швидкості подачі:

Нм

2) При усталеному русі із швидкостю подачі:

Нм

3) При гальмуванні з швидкості подачі:

Нм

4) При розгоні до швидкості бистрого ходу:

Нм

5) )При усталеному русі із швидкостю бистрого ходу

Нм

6) ) При гальмуванні із швидкості бистрого ходу

Нм

На основі отриманих данних будуєм тахограму роботи двигуна, а також його навантажувальну діаграму:

Розрахуємо значення еквівалентного моменту

2.8 Вибір двигуна

В попередньому розділі було розраховано діаграму навантажень рис

де значення статичних моментів дорівнюють:

Швидкості показані на тахограмі після приведення до валу двигуна становлять:

при чому на систему накладають наступні обмеження:

максимальна швидкість:

максимальне прискорення:

максимальна похибка:

момент інерції робочого органу рівний J=0.01 м*кг/с^2

виходячи з даних значень моментів та швидкостей вибрано синхроний двигун 1FT6062-6AC7

Паспортні дані:

Також необхідно провести розрахунок додаткових параметрів двигуна для роботи в номінальному режимі

Синхронна кутова швидкість двигуна

рад/с

Номінальна лінійна напруга двигуна

В

Номінальна фазна напруга двигуна

В

Номінальний потік

Вб

Потужність на валу:

Вт

Коефіцієнт корисної дії двигуна:

Коефіцієнт потужності

2.9 Вибір перетворювача

Для даного двигуна обираємо перетворювач частоти фірми SIEMENS SIMOVERT MASTERDRIVES.

Його параметри:

Номінальна потужність кВт

Короткі технічні дані:

3. Розробка функціональної схеми

Привід подачі станка відноситься до системи регулювання положення.

Дані системи представляють собою клас систем з надзвичайно широким діапазоном призначень. Вони знаходять застосування в різних промислових установках і роботах як системи наведення антен, оптичних телескопів і радіотелескопів, для стабілізації різних платформ в умовах вібрацій основ, на яких монтуються дані платформи й т.п. Потужність виконавчих двигунів становить від одиниць і десятків ват до десятків і сотень кіловат, їхнє живлення здійснюється від електромашинних, тиристорних та транзисторних перетворювачів. Контроль положення здійснюється за допомогою датчиків, які в аналоговій або дискретній формі подають інформацію про переміщення робочого органа механізму протягом усього шляху. Як датчики використовуються сельсини, обертові трансформатори, индуктосини, імпульсні й цифрові датчики.

У більшості випадків промислові системи керування положенням будуються сьогодні на принципах підпорядкованого регулювання. На даний час в більшості цих систем використовують синхронні двигуни з постійними магнітами.Синхронний двигун з постійними магнітами (СДПМ), завдяки своїм високим експлуатаційним характеристикам, є найбільш перспективною машиною в діапазоні малих і середніх потужностей. СДПМ простий по конструкції, не має втрат на збудження й має стабільну швидкість ротора. Ці якості відділяють його з ряду всіх інших машин і забезпечують йому ширше застосування в автоматиці, приводах подачі верстатів, прецизійних системах .спостереження, а також системах, де стабільність швидкості є першорядною вимогою, щодо технологічного процесу.

СДПМ діляться на два класи: з синусоїдальним розподіленням магніторушійної сили (MPC) та з трапецеїдальним. З трапецеїдальним розподіленням MPC відносяться до електронно-комутуючих електричних машин, які називаються вентильними або безщітковими двигунами постійного струму.

Постійне здешевлення магнітних матеріалів, зокрема, впровадження сплавів рідкоземельних металів, удосконалення апаратної бази керування роблять можливим використання цього типу двигунів у тих областях, де традиційно застосовувалися двигуни постійного струму (ДПТ) або асинхронні двигуни (АД). Використання СДПМ як альтернативи ДПТ у регульованому приводі стало можливим з появою відповідної перетворювальної й цифрової обчислювальної техніки. Насамперед, це пов'язане із впровадженням перетворювачів на транзисторах з ізольованим затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)), використанням принципів широтно-імпульсної модуляції (Ш1М, Pulse Width Modulation (PWM)), перетворення змінного нерегульованого струму в регульований змінний (АС-АС).

В бакалаврській роботі розроблена система слідкуючого електропривода з синхронним двигуном, для якої важливе відпрацювання заданої траєкторії без помилки. Система розроблена на основі двофазної моделі двигуна.

Таким чином подальші розрахунки будуть проводитись для такої функціональної схеми рис 3.1:

Рис 3.1

3.1 Математична модель ЕП з СД

Узагальнена машина

Розглядаючи структуру електричної машини неважко встановити її загальні особливості, завдяки яким при певних допущеннях можливо побудувати їх узагальнену теорію.

Кожна машина має статор і ротор розділені малим повітряним проміжком.

Магнітопроводи статора і ротора мають радіальну симетрію магнітних властивостей, а їх поверхні звернені до проміжку можна розглядати як гладкі циліндричні.

Закон розподілу і тип обмотки вибираються так, щоб взаємна індуктивність між обмоткамі статора і ротора змінювалася по синусоїдальному закону функції кута повороту ротора. На практиці це можливо виконати ліше з деяким наближенням, тому взаємна індуктивність представляється деякою функцією з домінуючою першою гармонікою. Вищі гармоніки ряду Фур'е відносяться до індуктивностям розсіювання.

В електричній машині електромагнітні процеси повторюються через кожну пару полюсів, тому узагальнену машину приймаєм ідеалізованою двополюсною. З іншого боку електромагнітні процеси в електричних машинах в основному визначаються магнітними потоками ,що протікають в повітряних проміжках, які,в свою чергу , визначаються струмами ,що протікають вздовж осі машини. Потоки ,створювані струмами, в лобових частинах називаються потоками розсіювання. У більшості практично важливих випадках допустимо вважати, що лінії силового магнітного поля перпендикулярні до циліндричних поверхонь створюючих проміжок.

Розподіл струмів по повітряному проміжку , а також зміна їх в часі зрештою визначають тип електричної машини і всіх її характеристик. Розподіл струмів залежить від типу обмотки, а зміна їх в часі від характеру напруги, що підводиться. Машина передбачається ненасиченою, тобто магнітопроводи виконані з матеріалу з нескінченною магнітною проникністю, втрати на вихрові струми і перемагнічування відсутні.

Електромеханічний перетворювач розглядається як такий, що містить n обмоток на статорі і m на роторі. До обмоток статора і ротора прикладається керуючі напруги , яка формуються пристроєм керування електроприводу і які створюють струмів електричної машини.

В такій постановці виділяють електричну і механічну частини. Виходом першої являється електромагнітний момент ,як результат взаємодії струмів статора і ротора , що прикладається до ротора електричної машини.

ЕЧ - електрична частина

МЧ - механічна частина

У загальному випадку оскільки для прийнятої схематизації число обмоток статора і ротора , то їм повинно відповідати рівнянь Кирхгофа ,які встановлюють взаємозв'язок між струмом і напругою.

Якщо допустимо вважати, що картина електромагнітного поля січної площини перпендикулярна до осі обертання не змінюється при її русі в межах повітряного проміжку, то поле можна вважати плоским.

Оскільки представлення інформації в площині двомірне, то будь-який вектор МРС створюваний багатофазною обмоткою може бути сформований всього лише двома обмотками. Таким чином, при вказаних допущеннях будь-яка багатофазна обмотка має двофазний аналог. Зрозуміло ,що така аналогія формується на основі ідеальності МРС.

Якщо об'єднати всі розглянуті раніше допущення, то приходимо до поняття узагальненої машини, що ідеалізується, яка описує фундаментальні принципи реальних електричних машин.

Модель СД в системі координат (a-b)

Сформуємо наступні вектори:

Запишемо повні вектори струмів і потокощеплень:

Запишемо матрицю індуктівностей :

Використовуючи отримаємо:

Підставивши значення і в рівняння електричної рівноваги отримаємо:

Звідси

Рівняння моменту:

Об'єднав отримані рівняння отримаємо повну модель СД з постійними магнітами в системі координат (a-b):

- керуюча дія, - збурююча дія, - вихідні координати.

Модель СД в системі координат (d-q)

Здійснимо перетворення в систему координат ротора (d-q) відповідно до перетворення:

Де

Модель СД з постійними магнітами в системі координат (a-b) приводиться до моделі СД в системі (d-q) враховуючи вищенаведені перетворення:

З виразу для моменту слідує:

1. Він пропорційний компоненті струму статора ортогональній до .

2. Для отримання постійного моменту повинен обертатись синхронно з ротором двигуна.

3. Пряма компонента момент нестворює. З метою мінімізації втрат керування повинно здійснюватись при .

4. Регулювання може реалізовуватись при явищі послаблення поля.

Якщо знехтувати , то в достатньій мірі можна вважати, що вектор буде направлений по осі q.

При можна вважати , що реактивна потужність статора нульова, тобто статор СД поводиться як чисто активне навантаження.

Якщо , тоді реактивна потужність регулюємого СД буде віддаватись в мережу. Він набуває активно-ємністного характеру навантаження.

При реактивна потужність споживається з мережі, що відповідає активно-індуктивному характеру навантаження.

Регулювання не впливає на момент, тобто основна керуюча дія, , вирішує головну задачу керування моментом, а допожна керуюча дія , можна використовувати для регулювання коефіцієнта потужності. Вчасності з векторної діаграми випливає,: якщо СД керувати при , тоді СД моменту створювати не буде і буде обертатись зі швидкістю холостого ходу. Регулюючи можна регулювати баланс реактивних потужностей, такий СД називається синхронним компенсатором.

З виразу для потокощеплень витікає, що потокощеплення по осі d дорівнює:

З виразу для витікає, що при весь потік ротора створюється постійними магнітами .

При здійснюється розмагнічування по осі d, що еквівалентно ослабленню магнітного потоку, при цьому реактивна потужність віддається в мережу

При створюється додаткове збудження за рахунок реактивної потужності споживаною від джерела живлення.

4. Розробка структуної схеми

4.1 Постановка завдання керування

Система векторного керування будується у вигляді трьохконтурної схеми керування, побудованої за принципом підпорядкованого керування в осях d-q. При цьому система керування містить внутрішній контур регулювання складовою струму статора і внутрішній контур регулювання швидкості обертання вала двигуна , а також зовнішній контур регулювання положення вала двигуна ..Контури будуть реалізовані з цифровими регуляторами. Особливістю побудови даної системи є те, що у вихідному контурі регулювання положення необхідним є аперіодичний характер перехідного процесу, тому що перерегулювання приводить до помилок при відпрацюванні завдання (наприклад приводить до зайвого зняття металу із заготівки, тобто до браку деталі).

4.2 Розробка динамічної моделі обєкта керування

Система диференційних рівнянь ,що описує фіз. процесів в двигуні була отримана вище (стр. ):

Після введення компенсаційних звязків

Отримано наступну модель

Значення знаходиться згідно такої формули:

А

Фізична модель перетворювача частоти представлена у вигляді аперіодичної ланки з коефіцієнтом підсилення:

Стала часу рівна:

с

Остаточно отримано:

Так як метою синтезу є отримання передаточних функцій цифрових регуляторів, очевидно ,що сигнал в системі має мати дискретний характер, тому на вході перетворювача частоти встановлено імпульсний елемент (для перетворення аналоговий сигнал в дискретний ), що представлений ідеальним та формуючим елементами (рис. 4.1)

Останній являє собою естраполятор нульового порядку з передаточною функцією

де То-час квантування ідеального елементу.

4.3 Синтез регулятора контуру керування струмом статора

Синтез цифрового регулятора проведено методом послідовної корекції.Структурна схема контуру струму статора зображена на рис. 4.2.

Рис 4.2 Схема контуру струму

Передаточна функція обєкту має вигляд :

-де

Тоді передаточна функція розімкненої системи:

Задано такі показники якості для контуру:

що відповідає настройці на модульний оптимум.

Бажана передаточна функція розімкненої системи матиме вигляд :

Так досягається ряд переваг :

1) реалізовуються добрі показники якості ,

2) задовільняється гіпотеза фільтра,

Предаточна функція регулятора визначається як:

Регулятор являє собою передаточну функцію пропорційно-інтегральної ланки:

Для визначення коефіцієнтів ПІ- регулятора використовують відомі формули:

де коефіцієнт зворотнього звязку по струму

Значення коефіцієнтів визначаються наступним чином

Остаточно передаточна функція корегувального пристрою запишеться:

Здійснюється перехід до дискретної передаточної функції

-де Т0- частота квантування. Для виконання умов теореми Котельникова-Шенона її значення обране рівним (стр 38).

Замкнений контур струму виражається як:

Аналогічно проводиться розрахунок регулятора контуру струму

Якщо прийняти що, значення струму , і якщо контури струмів однакові ,значення ПІ-регулятора та коефіцієнта зворотнього звязку рівні:

Здійснюється перехід до дискретної передаточної функції:

4.4 Синтез регулятора в контурі швидкості

Структурна схема контура швидкості представлена на рис. 4.3

Рис. 4.3

Для даної структурної схеми проводять деякі спрощення.

Оскільки передаточна функція контуру струму апроксимується аперіодичною ланкою:

де .

передаточна функція контуру швидкості має вигляд:

де -коефіцієнт зворотнього звязку по швидкості.

При настройці контура на симетричний оптимум перехідні процеси даного контуру повинні відповідати слідуючим показникам якості :

Тоді передаточна функція бажаної розімкненої системи має вигляд :

Для настройки системи на симетричний оптимум використовується ПІ-регулятор:

де :

При реалізації регулятора в цифровому пристрої необхідно перейти до дискретної передаточної функції:

Передаточна функція замкненої системи:

4.5 Синтез регулятора положення

Структурна схема контуру регулювання положенням показана на рис. 4.4

Рис 4.4

Коефіцієнт підсилення контуру рівний:

-де - коефіцієнт зворотнього звязку по положенню.

Частота пропускання контуру визначена графічно з ЛАХ контуру і становить:

Для зменшення розходження між частотою та псевдочастотою при подальшому синтезі, частоту квантування вибрано рівною:

при частоті кут нахилу ЛАХ рівний -60 дБ/дек , тому передаточну функцію високочастотної області представлено як інтегратор 3-го порядку.

Дискретна передаточна функція матиме вигляд:

Запас по фазі та амплітуді:

Синтезований контур повинен задовільняти таким умовам

Так як система повинна відпрацьовувати лінійно наростаючий сигнал динамічна похибка по положенню повинна бути рівною нулю, тобто компенсуватися за рахунок введення інтегральної складової.Для цього БЛАХ повинна в низькочастотній області мати нахил -40 дБ/дек.

Для отримання аперіодичного перехідного процесу в контурі положення частота зрізу розімкненого контуру положення повинна бути у 8-10 разів нижче за частоту спряження внутрішнього контуру швидкості ,тобто рівна :

Добротність контуру чисельно рівна частоті зрізу і коеффіцієнт передачі розімкненого контуру становить:

Для спрощення виду регулятора в БЛАХ включено усі сталі часу нескорегованої ЛАХ (з частотою меншою за частоту зрізу).

Тоді бажана ЛАХ буде мати таку передаточну функцію (рис )

Віднімаючи ЛАХ та ЛФХ нескорегованого контуру від ЛАХ та ЛФХ скорегованого отримано наступну передаточну функцію регулятора (рис):

Остаточно отримано:

Передаточна функція замкненої системи буде:

5. Дослідження динаміки САК

В даному розділі ,на основі отриманих функцій регуляторів та математичої моделі двигуна рис. 5.1 ,необхідно здійснити моделювання системи.

Рис 5.1

Для цього використовується пакет програм MatLab,SimuLink.

Нижче приведено короткий опис деяких ланок ,що будуть використовуватись:

-Блок Step джерело одиничного стрибку;

- Блок Scope осцилограф;

- Блок Sum суматор;

-Блок Gain пропорційна ланка;

-Блок Transfer Fcn за її використанням можна задавати передаточну функцію,як два поліноми.

-Блок Constant формує постійну величину

-Блок Ramp створює лінійно наростаючий сигнал;

-Блок Product виконує множення двох сигналів;

Остаточна структурна схема подана на рис. 5.2 і включає такі блоки:

1. Блок”Model SD” рис.5.3 - модель синхронного двигуна у системі координат (a-b) .Представлена такою системою диференційних рівнянь