Модернизация токарного станка HOESCH D1000

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка состоит из введения, шести разделов, заключения и перечня использованной литературы, содержит 130 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 34 рисунка.

Исследовательская часть содержит 14 страниц.

Объект проектирования - токарный станок HOESCH D1000.

Предмет проектирования - система автоматического управления приводом подачи.

В данном дипломном проекте произведена разработка системы автоматического управления приводом подачи токарного станка, осуществлен расчет и выбор мощности двигателя, рассчитаны основные характеристики датчика, разработаны основные параметры системы автоматического управления, выполнено моделирование электропривода со статической системой стабилизации скорости и получены осциллограммы переходных процессов для типовых режимов. Моделирование осуществляется в среде Simulink прикладного пакета Matlab. Разработано программное обеспечение для автоматического управления приводом подачи в среде STEP 7.

ТОКАРНЫЙ СТАНОК, ПРИВОД ПОДАЧИ, ВЫБОР МОЩНОСТИ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ, СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ, СИНТЕЗ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРОВ, ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ, MATLAB, SIMULINK.

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 1.1 Анализ объекта модернизации
• 1.2 Анализ существующей системы управления привода подачи
• 1.3 Анализ современных систем автоматического управления
• 1.4 Обоснование вариантов решения задачи модернизации
• 1.5 Постановка задачи на проектирование
• 2. РАСЧЕТНО-КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
• 2.1 Расчет требуемой мощности и выбор ЭД подач
• 2.3 Расчет и выбор датчика линейного перемещения
• 2.3.1 Расчет датчика линейного перемещения
• 2.3.2 Выбор датчика линейного перемещения
• 2.4 Моделирование привода подачи
• 2.4.1 Обоснование метода моделирования
• 2.4.2 Системы управления электроприводом
• 2.4.3 Математическая модель САУ
• 2.4.4 Математическая модель электропривода в среде моделирования
• 3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОГО МОДУЛЮ УПРАВЛЕНИЯПРИВОДОМ ПОДАЧИ
• 3.1 Назначение системы управления электроприводом станка
• 3.2. Конфигурирование системы управления станка
• 3.2.1 Выбор системы управления SINUMERIK
• 3.2.2 Выбор панели оператора, кнопочной панели и ручного пульта
• 3.2.3 Выбор SINUMERIK PCU
• 3.2.4 Описание контроллера SIMATIC S7
• 3.2.5 Выбор преобразователя SIMODRIVE 611
• 3.2.7 Разработка интерфейса системы управления приводом подачи
• 3.3 Разработка программного обеспечения для управления приводом
• 3.4 Разработка алгоритмического проектирования задач управления
• 3.4.1 Разработка алгоритма управления
• 3.4.2 Разработка алгоритма функционирования системы управления
• 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
• 4.1 Сущность и актуальность проведения модернизации токарного станка
• 4.2 Анализ базовой и новой системы электропривода станка
• 4.3 Исходные данные для экономических расчетов к дипломному проекту
• 4.4 Определение направлений и расчет экономии затрат от модернизации
• 4.5 Расчет и сопоставление эксплуатационных затрат
• 4.6 Расчет эффективности проектируемой системы
• 5. ОХРАНА ТРУДА
• 5.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов
• 5.2 Разработка мероприятий по обеспечению безопасных условий труда
• 5.3 Расчет защитного заземления
• 6. ГРАЖДАНСКАЯ ОБОРОНА
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
• ПРИЛОЖЕНИЕ A - ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МОДУЛЯ ПИТАНИЯ SIMODRIVE 611D

ВВЕДЕНИЕ

Металлорежущий станок является основным видом технологического оборудования для размерной обработки деталей. Он представляет собой систему, обеспечивающую относительные перемещения металлорежущего инструмента и обрабатываемого изделия для придания изделию требуемой согласно чертежу формы с заданными производительностью и точностью путем снятия стружки.

За последние годы произошли существенные качественные изменения в области электроприводов с системами тиристорного управления, а также в области автоматизации управления (сокращения полупроводниковых приборов и микросхем, устройств программного управления). Значительно повысился объем задач, решаемых системами электрического управления станками, усложнился их характер, что позволило расширить технологические возможности станков, упростить управление ими, что в конечном итоге привело к повышению производительности труда в основных и вспомогательных операциях.

В настоящее время заводами электропромышленности выполняется для тяжелых станков, как правило, комплектная поставка систем электроприводов и устройств автоматического управления станками не в виде разрозненных станций управления, а в виде законченных комплексных устройств, разрабатываемых организациями и заводами тяжелого станкостроения.

В тяжелых металлорежущих станках в большинстве случаев механизмы, выполняющие как основные, так и вспомогательные движения, имеют индивидуальные электродвигатели, что существенно упрощает кинематику передачи и конструкцию станка. Все электроприводы станков можно разделить на три категории: главные, приводы подачи и вспомогательных механизмов.

До 1910-1916 г.г. привод станков в основном осуществлялся от крупных трансмиссий. В дальнейшем началось дробление крупных трансмиссий на группы, каждая из которых приводилась в действие своим электродвигателем. Так возник групповой электропривод станков. Последующее развитие станков характеризовалось переходом от групповых трансмиссий к одиночному приводу. В этом случае каждый станок стал приводиться в действие от самостоятельного двигателя.

Применение одиночного и многодвигательного приводов позволяет регулировать скорость отдельных механизмов изменением скорости двигателя. При этом возникает необходимость в получении искусственных механических характеристик, двигатель становится неотъемлемой частью машины-орудия. Автоматизация одних процессов управления оказалась недостаточной, поэтому появилась необходимость в автоматизации производства.

К современным металлорежущим станкам предъявляются следующие основные требования:

1 Возможно большая производительность при соблюдении достаточной точности и соблюдение размеров, а также чистоты поверхности обрабатываемых на станке изделий.

2 Простота и легкость обслуживания.

3 Сравнительно низкая первоначальная стоимость и небольшие эксплуатационные расходы.

4 Простота изготовления и сборки отдельных узлов станка и в том числе электрооборудования.

5 Возможно малый вес и габариты.

Возможность использования преимуществ электрического управления и стремление значительно упростить кинематику отдельных звеньев станка привели к современному многодвигательному приводу, в котором различные движения на станке выполняются от отдельных электродвигателей.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Анализ объекта модернизации

Модернизации системы управления токарного станка HOESCH D1000 предназначена для повышения качества механической обработки деталей с цилиндрической поверхностью, конусных поверхностей, нарезание резьб и других деталей, обработка которых ранее была невозможна из-за недостаточной точности. Станок оснащен системой ЧПУ фирмы SIEMENS, модель SINUMERIC 520К. На данный момент эта система является морально и физически устаревшей, блоки этой системы часто выходят из строя, а ремонт осложняется невозможностью найти детали для замены, силовая цепь нуждается в полной замене, датчики очень устарели и не удовлетворяют показателям точности и быстродействия, однако, механика станка в хорошем состоянии. Технические характеристики и высокая жесткость станка позволяют применять инструмент из быстрорежущих сталей и твердых сплавов и вести обработку в режиме скоростного точения. Безлюфтовые кинематические цепи подач обеспечивают точность и плавность перемещений исполнительных органов станка, но также нуждаются в замене, так как при длительной эксплуатации имеются выработки. Исполнительные органы станка перемещаются от индивидуальных приводов с электродвигателями постоянного тока с бесступенчатым регулированием, что позволяет выбирать наиболее рациональные режимы обработки. Привод подачи шпинделя приводится в движение от двигателя через коробку скоростей, обеспечивающую различные частоты вращения. Технические характеристики станка приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные технические характеристики станка HOESCH D1000

Наименование параметра	Числовое значение
Максимальное расстояние между центрами при отведенной назад пиноли задней бабки, мм	6
Максимальный диаметр точения над суппортом, мм	1000
Минимальный диаметр точения, мм	10
Высота центров над станиной, мм	700
Максимальный вес заготовки без поддерживания люнетом, кг	25000
Максимальный вес заготовки при закреплении в планшайбу шпиндельной бабки и один люнет, кг.	25000
Шпиндельная бабка
Диаметр планшайбы шпиндельной бабки, мм	900
Максимальный, диаметр зажима, мм	600
Минимальный диаметр зажима, мм	200
Угол конуса центра, градусов	75
Числа оборотов планшайбы об/мин	1-200
Максимальный крутящий момент на планшайбе, кг	6000
Характеристическое число оборотов (число оборотов при максимальной, мощности и максимальном, крутящем моменте), об/мин	9
Суппорт
Максимальная, главная составляющая усилия резания, кг	15000
Ход поперечных салазок, мм	370
Ход перемещения резцедержателя	0-1000
Диапазон скоростей подачи суппорта в продольном и поперечном направлениях, м/мин	0,1-2
Скорость ускоренного хода, м/мин	12
Масса узлов станка
Станина, комплектно с консолью двигателя, кг	16400
Шпиндельная бабка, кг	12800
Главный двигатель, кг	1050
Верхний суппорт, кг	1300
Продольные салазки, кг	2800
Рабочая площадка, комплектно, кг	400
Система ЧПУ SINUMERIC 520 K, кг	300
Задняя бабка, кг	3900
1 люнет, кг	1250

Внешний вид станка HOESCH D1000 приведен на рисунке 1.1.

Точность зависит практически от всех компонентов системы управления:

– зазоров и сил трения в кинематических звеньях;

– места установки, статических и динамических погрешностей датчиков;

– упругих отклонений инструмента и детали в статических и динамических режимах, воздействия внешних возмущений.

Задача повышения точности должна решаться путем тщательного анализа механизмов формирования погрешностей и последующей разработки комплексных мероприятий, направленных на следующие мероприятия:

– сокращение длины кинематической цепи между рабочим органом и датчиком положения;

– введение программной или аппаратной компенсации нелинейностей звеньев цифрового электропривода. Один из показателей производительности обеспечивается заменой обыкновенных приводов современными высокоскоростными приводами. Надежность оборудования характеризуется коэффициентом технического использования. Наиболее эффективными средствами повышения надежности являются: выбор элементов, которые имеют наименьшую вероятность отказа; проектирование средств защиты от аварий; разработка развитой системы диагностики.

В настоящее время токарный станок модели HOESCH D1000, 1975г. выпуска, имеет недостаточные показатели точности и быстродействия, система автоматического управления устарела морально и физически, что обуславливает частые сбои и простои станка. Повышение надежности работы оборудования позволяет сократить потери времени на ремонт оборудования, а также уменьшить материальные расходы, так как срок службы современных систем управления значительно дольше.



Рисунок 1.1 - Расположение основных органов и органов управления (вид сверху)

1.2 Анализ существующей системы управления привода подачи

Привод продольной подачи, смонтированный на корпусе салазок, состоит из двигателя, редуктора и шариковой пары, винт которой закреплен на станине и сообщает возвратно-поступательное перемещение в продольном направлении - координата "Z".

Привод поперечной подачи смонтирован в консоли, винт шариковой пары жестко соединен с салазками и перемещает их в поперечном направлении - координата "X".

Данная система привода подачи работоспособна, но имеет большую, по современным критериям качества, погрешность из-за выработок в процессе длительного использования и нуждается в замене.

Все электродвигатели подач имеют бесступенчатое изменение скорости вращения в широких диапазонах, но так как срок службы их практически пришел к концу то частые сбои и неполадки, на значительно время останавливают процесс работы станка.

Ограничения крайних положений подвижных узлов станка осуществляется блоками путевых конечных выключателей, которые служат также для контроля установки подвижных органов в исходное положение. На современных системах управления используются абсолютные линейные датчики высокой точности, в которых используется абсолютная система измерения, и система управления в реальном времени отслеживает положение режущего инструмента, таким образом, значительно повышая точность и быстродействие.

Кинематическая схема станка представлена на рисунке 1.2

Базовый вариант токарного станка оснащен автоматической системой управление SINUMERIC 520К представленной на рисунке 1.3.



SINUMERIK 520К представляет собою двухкоординатную систему числового контурного управления токарными операциями с линейной и круговой интерполяцией. Считывание с перфоленты со скоростью 150 знаков в секунду, бобина диаметром 7 1/2 дюймов.

Программирование может осуществляться с абсолютным и относительным отсчетом размеров. При программировании с абсолютным отсчетом размеров программируется диаметр. Дискретность ввода 0,001 мм, дискретность вывода 0,002 мм. Информация вводится в систему с помощью восьмидорожечной перфоленты, по выбору, в коде ISO (DIN 66024) или в коде EIA. Номера кадров, путевые условия, путевая информация и значения подачи поступают в буферные накопители.

Данная система не удовлетворяет современным требованиям надежности, точности и быстродействия, из-за неудобства задания программного кода и не высокой надежности перфоленты, система часто выходит из строя и приводит к часты простоям станка.

Диапазон перемещений составляет 4000 мм. В пределах одного кадра интерполируются перемещения по прямой или по дуге окружности величиной до 2000 мм. С помощью дополнительного датчика импульсов на главном шпинделе могут нарезаться резьбы шагом от 0,02 мм до 40 мм. Подача вводится непосредственно от 0,01 до 4000 мм/мин или как подача за время оборота от 0,01•10^-3 до 2 мм/об., эти параметры удовлетворяют современным требованиям диапазона регулирования.

Установленная скорость ускоренного хода предусматривается в пределах от 0,2 до 12 мм/мин.

Различные крепления изделий могут учитываться путем устанавливаемого сдвига нуля.

С помощью программирования постоянной скорости резания по адресу S возможно достигнуть постоянной мощности, расходуемой на резание. При этом принимаются во внимание до 5 ступеней коробки передач.

Результирующее число оборотов шпинделя может быть ограничено на 50, 60, 70, 80, 90% максимально достигаемой величины.

Через переключатель коррекции числа оборотов, возможно, непосредственно программировать число оборотов шпинделя и постоянную скорость резания. Число оборотов шпинделя может быть подвергнуто 10%-му ступенчатому изменению в области от 50 до 100%.

В системе используется абсолютная измерительная система с сельсинами или индуктосинами в качестве измерительных датчиков. Контур управления положением построен на базе тиристорных преобразователей для сервоприводов постоянного тока. Применение тиристорных преобразователей ограничивает динамические характеристики привода и является причиной значительного рассеивания мощности при переходных процессах.

Проведенный анализ действующей системы управления позволил выявить недостатки системы, влияющие на точность обработки деталей и быстродействие. В связи с этим поставлена задача полной замены системы автоматического управления SINUMERIK 520K.

Рисунок 1.3 - Шкаф ЧПУ SINUMERIK 520K

1.3 Анализ современных систем автоматического управления

Задачи автоматического управления определяют спецификацию функций, которые должна выполнять система управления.

В общем случае перечень этих функций может представлять сотни позиций, однако большинство функций формируется как бы автоматически, согласно сформированным представлениям и опыту проектирования систем ЧПУ по сравнительно небольшому перечню основных требований.

Положительной стороной новейших автоматических систем является тот факт, что имеется контроль использования станка во внутри цеховой системе, а соответственно намного проще контролировать загрузку всего оборудования, которое расположено не только в одном цехе, но и на всем заводе.

В машиностроении представлено множество систем ЧПУ. Ниже представлены некоторые фирмы, которые предоставляют системы для автоматического управления:

1 NUM - Высокая вычислительная мощность систем NUM обеспечивает широкий набор их функциональных возможностей. В них предусмотрены сплайновый и полиномиальный (до пятого порядка) алгоритмы интерполяции, пяти-девятикоординатная интерполяция, пятикоординатная коррекция инструмента, одновременная работа по двум разным управляющим программам, 3D-графика и другое.

2 Allen-Bradley - специализированный промышленный компьютер с Windows NT операционной системой и возможностью разрабатывать пользовательские приложения на Visual Basic; PCI-одноплатный ЧПУ-компьютер, который выполняет все функции ядра, в том числе программно-реализованного контроллера электроавтоматики.

3 ANDRON - Система содержит в себе следующие модули:

- модуль терминального компьютера;

- модуль ЧПУ-компьютера;

- панель оператора и монитор;

- модули удаленных входов-выходов программируемого контроллера;

- одну или несколько групп цифровых (SERCOS) поводов подачи и главного привода.

4 BoschRexroth - Терминальный компьютер имеет операционную систему Windows NT, а ЧПУ-компьютер - операционную систему UNIX. Связь операционных сред осуществляется с помощью протоколов TCP/IP, что допускает изъятое размещение терминала и работу нескольких терминалов с одним ЧПУ-компьютером. В свою очередь, ЧПУ-компьютер допускает многоканальную работу более чем с одной управляющей программой.

5 DeltaTau - разработала двухкомпьютерный вариант PCNC, в котором ЧПУ-компьютер выполнен в виде отдельной платы РМАС (Programmable Multi-Axes Controller), устанавливаемой на ISA или РСI-шине терминального персонального компьютера

6 Beckhoff - дает пример однокомпьютерной архитектуры PCNC, в рамках которой все задачи управления (геометрическая, логическая, терминальная) решаются только программным путем, без какой-либо дополнительной аппаратной поддержки.

7 Siemens- Полный спектр предложений департамента "Промышленная автоматизация" составляют не только стандартные продукты, но и системные решения для энергетики и технологий автоматизации, используемые в производстве и технологическом процессе. Являясь лидером на рынке промышленного программного обеспечения, департамент постоянно совершенствует весь производственный процесс компаний-производителей - от идеи дизайна продукта и её разработки, до производства, сбыта и сервисного обслуживания.

Основными показателями эксплуатационных качеств станка являются точность и производительность обработки деталей. На сегодняшний день критерии качества изготовления деталей, для токарных станков, очень высоки и повышаются каждый день, и поэтому многие станки устарели и не удовлетворяют точностным параметрам. При постоянно растущей рыночной конкуренции не малую роль играет и производительность, потому что при увеличении производительности снижаются затраты на изготовлении продукции и соответственно детали выполненные на таких станках становятся более конкурентоспособными.

Точность обработки определяется относительными перемещениями заготовки и инструмента, а также другими факторами, влияющими на требуемые размеры и формы, а также относительного расположения обрабатываемых поверхностей.

Производительность определяется принятым технологическим процессом, степенью его автоматизации, особенностями конструкции станка и характеристиками его динамической системы.

Требуемые качества станка могут быть обеспечены только при учете динамических процессов, происходящих во время работы, учете упругости и других динамических характеристик.

Достижение самых высоких параметров точности и быстродействия возможно только при использовании современных систем автоматического управления, которые имеют высокое быстродействие, надежность, способны работать в жестких условиях эксплуатации, очень просты в монтаже и программировании.

При обработке тел вращения различают следующие виды погрешностей:

1 Геометрические погрешности узлов самого станка:

- отклонение от прямолинейности направляющих станины;

- отклонение от параллельности оси центров и направляющих станины.

2 Пружинные деформации:

- деформации суппорта и станины;

- деформации заготовки, которые вызываются переменным припуском в продольном разрезе;

- деформации заготовки, которые вызваны изменением положения режущего инструмента;

- изменение силы резания, которая обусловлена неоднородностью физико-механических особенностей обрабатываемого материала в продольном разрезе.

3 Тепловые деформации:

- тепловые деформации станины при неоднородном температурном поле;

- тепловые деформации элементов суппорта и режущего инструмента при переходном процессе (разогрев инструмента после врезания в заготовку).

4 Износ инструмента.

В поперечном разрезе на точность формы влияют следующие факторы:

1 Геометрические ошибки:

- биение шпинделя;

- биение заднего центра.

2 Гибкие деформации:

- гибкие деформации суппорта и станины, которые вызваны припуском поперечном разрезе;

- гибкие деформации заготовки, которые вызваны неоднородным припуском в поперечном разрезе.

Все перечисленные виды погрешностей обусловлены большим количеством причин, многие из которых не поддаются учету и контролю. Современные автоматические системы имеют огромное множество преимуществ, которые помогают управлять технологическими процессами, учитывая влияние практически всех погрешностей и подстраиваться в режиме реального времени. Перед использованием новой программы обработки имеется возможность выполнить симуляцию и выявить ошибки, которые могут привести к браку изготовления деталей, а соответственно практически исключается вероятность того, что предприятие понесет убытки из-за испорченных заготовок.

Проанализировав систему управления, конструкцию и принцип работы станка HOESCH D1000, выявлены следующие недостатки:

- недостаточная точность обработки деталей;

- несоответствие систему управления современным требованиям;

- измерительная система не удовлетворяет параметрам точности и быстродействия;

- плохая динамика из-за сложности управления приводами подач;

- упругие деформации заготовки по длине;

- нагрев узлов станка;

- деформации деталей и узлов станка при чрезмерном поджиме заготовки задней бабкой.

1.4 Обоснование вариантов решения задачи модернизации

В процессе анализа привода подачи, выявлены следующие недостатки: электропривода подач имеют износ до 85%, ремонту не подлежат по причине и снятия с производства; станок снабжен устаревшей системой ЧПУ, которая практически не работоспособна по причине износа и отсутствия запчастей вследствие снятия с производства. Кроме того, обнаружены многочисленные обрывы электрических кабелей вследствие старения и потери гибкости. Производимый плановый ремонт не устраняет всех недостатков станка, так как система нуждается в полной замене, а частые поломки приносят большие материальные затраты.

Чтобы устранить указанные недостатки и повысить технические параметры станка по нормам точности необходимо произвести капремонт и модернизацию электрооборудования станка. Для сокращения сроков модернизации, упрощения послеремонтного обслуживания модернизированной СУ целесообразно применение современного оборудования и программного обеспечения, поставляемого на НКМЗ фирмой SIEMENS (Германия).

В данном процессе модернизации целесообразно применить оборудование, которое имеет комплектную поставку и легко монтируется на объект модернизации, менее квалифицированным персоналом. Таким образом, остановим свой выбор на системе SINUMERIK, которая имеет в комплекте все необходимые элементы для системы автоматического управления. В комплект входят, плата MCI вместе с PCU образующие аппаратную базу для SINUMERIK. Главным звеном системы управления выступает контроллер. В качестве главного контроллера используется контроллер серии SIMATIC S7-300 или SIMATIC S7-400, которые представлены в очень широком ассортиментом. В системе управления используется процессор. Для дистанционного управления следует использовать ручные устройства программирования, выполненные в разном сочетании для удобства управления. Станочные пульты также представлены очень разнообразно, что позволяет выбрать наиболее подходящий для модернизации. Также широко представлены панели оператора SINUMERIK. В комплекте поставки имеются широкий ряд двигателей для привода подачи. Для модернизации токарного станка наилучшим образом подходят синхронные двигателя серии 1FT6. Двигатели 1FT6 работают от приводов SIMODRIVE. Полностью цифровое управление приводами SIMODRIVE, со встроенными датчиками в двигателях 1FT6 отвечают самым высоким требованиям по динамике скорости, точности вращения и позиционирования.

Таким образом, при комплектной поставке упрощается процесс комплектного заказа и поставки. При использовании всех комплектующих одной фирмы сокращаются сроки модернизации, а следовательно и затраты на проведение работ. Высокое качество современного оборудования увеличивает фонд рабочего времени и сокращает время простоя, что значительно повышает экономический эффект от использования станка с таким оборудованием. С повышением точности значительно повышается качество обработки с получистовой до чистовой. Итогом этого является уменьшение затрат на изготовление, а также рост рыночной стоимости готовой продукции на данном оборудовании.

1.5 Постановка задачи на проектирование

Целью работы является повышение надежности и производительности объекта. Для этого необходимо улучшение качества оперативной оценки технического состояния механических узлов путем совершенствования традиционных методов диагностики. Также необходимо совершенствование системы управления в соответствии с современными требованиями.

Учитывая современные требования к системе управления, встают вопросы о необходимости замены устаревшего оборудования системы управления на современное с использованием ЧПУ SINUMERIK 840D.

Для реализации цели сформулированы следующие задачи проектирования:

1 Произвести расчет и выбор ЭД приводов подачи.

2 Произвести расчет, выбор и замену устаревших датчиков.

3 Заменить устаревшее управление на современное ЧПУ.

4 Выполнить моделирование двигателя на надежность.

4 Разработать микропроцессорный модуль управления технологическим процессом удовлетворяющий требованиям системы.

5 Разработать программное обеспечение для автоматического управления приводом подачи.

6 Рассчитать экономическую эффективность предложений по модернизации и сделать заключение о ее практической ценности.

7 Разработать мероприятия по обеспечению безопасных условий труда, на данном оборудовании, обслуживающим персоналом.

2. РАСЧЕТНО-КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет требуемой мощности и выбор ЭД подач

Для выбора мощности ЭД необходимо рассчитать силы, которые действуют на заготовку и режущий инструмент. На рисунке 2.1 представлен схематический процесс обработки с размещением сил резания.

Рисунок 2.1 - Схематический процесс обработки

Воспользуемся методикой расчета, которая применяется на НКМЗ при конструировании ЭП подач станков, расчет предложен фирмой SIEMENS.

Произведем расчеты для выбора синхронного двигателя привода подачи по координате Z для нахождения момента сопротивления на валу двигателя и требуемой мощности.

Фактическая мощность ЭД определяется по формуле:

, (2.1)

где n_ном- номинальная частота вращения ЭД, мин^-1;

М_v- суммарный момент сопротивления перемещению, приведенный к валу двигателя, Нм.

Величина момента М_z рассчитывается по формуле:

, (2.2)

где F_v- тяговая сила, необходимая для преодоления сил полезного сопротивления, Н;

h_s- шаг винта, принимаем h_s=0.02м;

- КПД редуктора, - передаточное число редуктора, т.к. редуктор убирается из модернизированного станка, то принимаем ,.

Сила F_v определяется по формуле:

, (2.3)

где K_п- коэффициент, учитывающий влияние опрокидывающего момента, который возникает вследствие несимметричного приложения силы подачи, для суппортов горизонтально - расточных станков принимаем К_п=1.1;

P_z- составляющая сила резания, действующая в направлении подачи, Н;

F_c- сила трения в направляющих, определяется по формулам, рекомендуемым нормалью станкостроения Н48-61:

, (2.4)

где Q_c- вес суппорта:

, (2.5)

=1300?9.84=12,7кН

f=0.01 приведенный коэффициент трения;

P_y, P_z- составляющие силы резания Н, определяются по предложенным режимам резания базового ТП.

Рассчитаем силы резания по формуле:

, (2.6)

где t- глубина резания, t=0.02м;

s- подача, s=2мм/об;

C_p, x, y, n- постоянные коэффициенты и показатели степени для расчетных условий, которые соответственно равны: 339, 0.5, 0.55, 0.5;

K_p- поправочный коэффициент, учитывающий фактические условия обработки, K_p=1.1;

v - Скорость резания, v=15м/мин.

Осевая сила резания составляет:

Тангенциальную P_z и радиальную P_y составляющие силы резания определяем из соотношения:

P_x: P_y: P_z= 1: 0.4: 0.25, (2.7)

отсюда P_х=1,16 кН; P_y= 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.

Так как двигатели, которые установлены на базовом станке, практически не удовлетворяют точностным и динамическим параметрам, а современные требования к качеству обработки очень велики, то целесообразно использовать двигателя фирмы SIEMENS, которые полностью удовлетворяют требованиям надежности, точности и быстродействия.

Определив момент сопротивления на валу двигателя, требуемую мощность привода подач с номинальным вращающим моментом М_н=10,5 Нм, частотой n_н=3000 об/мин и расчетным значением мощности выбираем следующие синхронные ЭД подачи фирмы SIEMENS серии 1FT6136-6АС7. Исходные данные представлены в таблице 2.1.

Двигатели 1FT6 - это синхронные электродвигатели с возбуждением постоянными магнитами в компактном исполнении.

Синхронный ЭД выбран в качестве приводного по следующим причинам:

1 В роторе, как правило, находится постоянный магнит, коллектор отсутствует, и скорость вращения ротора может быть значительно выше.

2 Позволяет регулировать скорость в широком диапазоне при постоянном моменте, что требуется для электропривода подач.

3 Обмотки находятся только в статоре, что значительно облегчает отвод тепла.

4 Перегрузочная способность мало чувствительна к понижению напряжения сети, что относится к числу его основных достоинств.

5 Благодаря отсутствию скользящих контактов щетки - коллектор уменьшаются потери.

Рисунок 2.2 - ЭД подачи SIEMENS 1FT6

Двигатели 1FT6 работают на линейки приводов SIMODRIVE 611 digital/universal HR. Полностью цифровое управление приводами SIMODRIVE 611, а встроенные датчики в двигателях 1FT6 отвечают самым высоким требованиям по динамике скорости, точности вращения и позиционирования.

Двигатели рассчитаны для работы без принудительного охлаждения, а возникающие температурные скачки устраняются путем отведения тепла через корпус без применения других методов охлаждения. Избыточное тепло возникает в обмотке двигателя и в статоре отводятся напрямую через хорошее термическое соединение с корпусом двигателя. Здесь особенно хорошо проявляются преимущества бесщеточного синхронного электродвигателя с возбуждением постоянными магнитами.

Преимущества:

- ысокое качество деталей, благодаря высокой точности обработки;

- подключение силовых и сигнальных штекерных соединений для использовании при сильном загрязнении;

- небольшое время обработки, благодаря высокой динамике;

- простой монтаж, благодаря небольшим затратам на проводку кабелей;

- высокое поглощение поперечного усилия.

Таблица 2.1 - Технические данные ЭД подачи фирмы SIEMENS серии 1FT6-084-8SF71-1AG1

Nn; мин?1	3000
H; мм	80
Pn; кВт при ?T=100 K	6,9
Mo; Нм при ?T=100 K	26
K перегрузочная способность	5
Mn; Нм при ?T=100 K	22
In; A при ?T=100 K	17
Количество пар полюсов	4
Момент инерции ротора (без тормоза) J; 10?4 кгм2	48
Вес кг	25

Важной особенностью электродвигателей является возможность фиксации положения его ротора путем подключения обмоток фаз статора к источнику постоянного напряжения. Путем переключения обмоток можно с высокой точностью задавать дискретные перемещения ротора, соответствующие определенному числу шагов. Таким образом, в шаговом режиме СД способен отрабатывать перемещения задаваемые числом электрических импульсов, коммутирующих токи статора в требуемой последовательности. Жесткая связь между числом шагов перемещения ротора и числом электрических импульсов является замечательным свойством этого двигателя, широко используемым в практике дискретного ЭП с цифровым управлением.

Выбор нового СД позволяет исключить из кинематической схемы редуктор. Тем самым исключив погрешность кинематических звеньев увеличив точность станка и быстродействие. Окончательной стадией модернизации кинематики привода станка является замена передачи винт-гайка качения. Из предложенных передач фирмой HaydonKerk Motion Solutions произведен выбор винта с такими же параметрами, как и на исходной модели станка. Технические параметры винта: подача за время оборота от 0,01•10^-3 до 2 мм/об. Данная передача имеет безлюфтовое соединение и минимальное сопротивление трения. Параметры винта приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Параметры передачи винт-гайка качения

Диаметр винта Dв, мм	Диаметр шарика d, мм	Шаг винта Sв, мм	Общее количество витков в двух гайках	Грузоподъемность, кН	Осевая податливость еx -9,м/Н
				статическая Qст	динамическая Qд
80	6	20	6	135	47	0,523

Фирма SIEMENS предусмотрела большое количество датчиков для контроля и проверки работы привода. В приводе используется инкрементальный метод измерения.

Инкрементальные датчики передают на вращение определенное количество электрических импульсов, которые и является длиной пройденного пути или угла. Инкрементальные датчики работают по принципу оптоэлектронной развязки разделяющих импульсов при прохождении света.

Напряжение питания датчиков 5В DC или с выбором от 10В до 30В DC.

Выбираем круговой инкрементальный датчик, так как он вмонтирован в синхронный двигатель типа 1FT6.

В качестве выходного интерфейса имеем:

1 RS 422 дифференциальные сигналы (TTL), у датчиков RS 422 (TTL), благодаря обработки фронта, разрешение может быть увеличено в 4 раза.

2 Аналоговые сигналы sin/cos с уровнем 1 V_pp. Для получения еще более высокого разрешения синусоидальный сигнал этих датчиков интерполируется (умножается) в СЧПУ или цифровом приводе.

3 HTL (High Voltage Transistor Logic). Датчики с интерфейсом HTL предназначен для приложений с цифровыми входами с уровнем 24 В.

2.3 Расчет и выбор датчика линейного перемещения

2.3.1 Расчет датчика линейного перемещения

При определении разрядности кода положения рабочего органа необходимо знать цену дискреты .

Цена дискреты - это точность позиционирования инструмента относительно детали. Обычно она выбирается в диапазоне мм.

Разрешающая способность датчика положения - это количество импульсов на выходе датчика на один шаг измерительной системы. Для соответствия линейному перемещению на шаг винта следует, что для измерения линейного перемещения требуется датчик с разрешающей способностью [1]:

имп/об. (2.8)

Необходимая емкость счетчика пути по координате зависит от длины винта и рассчитывается по соотношению:

дискрет. (2.9)

Для представления кода положения его разрядность определяется с помощью выражения:

разрядов. (2.10)

Зная диапазон регулирования скорости , можно определить число импульсов/оборот, которое должен иметь датчик, чтобы на минимальной скорости за период дискретности на его выходе был минимум 1 импульс:

(2.11)

где _В - максимальная скорость вращения винта, с^-1, период дискретности, диапазон регулирования скорости;

(2.12)

где - шаг винта,м/c максимальная скорость резания.

(с). (2.13)

где величина скоростной ошибки, допускаемым ускорением.

При необходимо применить датчик с разрешающей способностью:

 имп/об. (2.14)

2.3.2 Выбор датчика линейного перемещения

Для определения длинны пройденной суппортом при поперечном перемещении используется датчик который снимается значение с шарикового винта через пару зубчатых колес. Точность отсчета ДL зависит от пройденного пути L и вычисляется при снимании с шарикового винта по формуле:

ДL=±(0,03+0,00003 L) мм.

Датчики соединены электрически через коннекторы с индикационными установками. На них непосредственно производится отсчет пройденного пути. Эта система не удовлетворяет требованиям точности. Поэтому в процессе модернизации необходимо поставить современные линейные датчики одной из ведущих фирм. Линейные датчики фирмы HEIDENHAIN удовлетворяют требованиям системы по точности и качеству измерений. Они применяются на станках и установках с регулируемыми линейными осями, таких как, фрезерные, токарные и шлифовальные и горизонтально-расточные станки. Хорошие динамические свойства датчиков линейных перемещений, их высокие скорости перемещения и ускорения позволяют применять их на осях с высокой динамикой.

Преимущества датчиков линейных перемещений. Датчики линейных перемещений определяют положение линейной оси без дополнительных механических передаточных элементов. Если определение положения производится при помощи датчика линейного перемещения, то контур регулирования охватывает механику приводов. Таким образом, датчиком линейного перемещения определяется ошибка передачи механики оси и компенсируется в управляющей электронике. Данный способ помогает исключить целый ряд источников погрешностей:

1 Ошибка позиционирования, вызванная нагревом шарико-винтовой пары.

2 Ошибка, вызванная наличием зазоров в ШВП

3 Кинематическая ошибка, вызванная позиционной ошибкой ШВП

Для станков с высокими требованиями к точности позиционирования и к скорости обработки использование линейных датчиков является необходимым.

Термические свойства

Термические свойства линейного датчика должны соответствовать свойствам заготовки или свойствам измеряемого объекта. При изменениях температуры датчик должен определенным образом растягиваться или сжиматься, причем эти изменения должны быть воспроизводимы. Датчики линейных перемещений фирмы HEIDENHAIN рассчитаны на это.

Носители шкалы у линейных датчиков HEIDENHAIN имеют определенные термические коэффициенты расширения по длине. В зависимости от термических параметров для каждого задания может быть подобран подходящий датчик линейных перемещений.

Линейные датчики HEIDENHAIN отличаются хорошей жесткостью в направлении измерения - одно из главных условий высокой точности станка. Также небольшая масса подвижных частей датчика обеспечивает его хорошие динамические свойства.

Линейные перемещения станка достигают значительных величин - около 10000 км за несколько лет. Поэтому применение прочных датчиков с долговременной стабильностью особенно важно, т.к. повышается коэффициент использования станка. Благодаря особой конструкции и качественным деталям линейные датчики фирмы HEIDENHAIN работают безупречно даже после продолжительной эксплуатации. Отсутствие контакта между шкалой и считывающим элементом при фотоэлектрическом методе считывания гарантирует высокую продолжительность жизни датчика. Кожух, специальный метод считывания и, при необходимости, возможность подключения сжатого воздуха делают датчик хорошо защищенным от загрязнения. Экранирование помогает защитить сигнал от помех. Внешний вид измерительной линейки HEIDENHAIN LC183 представлен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Внешний вид измерительной линейки HEIDENHAIN LC183

Измерительные датчики HEIDENHAIN, основанные на оптическом методе считывания, имеют шкалу с равномерной текстурой - так называемые штрихи рисунок 2.4. В качестве носителей для штрихов служит стекло или сталь. В линейных датчиках больших длин в качестве носителя шкалы служит стальная лента. Высокоточные штрихи наносятся на носитель различными фотолитографическими методами. Шкалы изготовляются, например, из следующих материалов:

1 Штрихи из хрома на носителе из стекла.

2 Вытравленные матовые штрихи на позолоченной стальной ленте.

3 Трехмерные структурные решетки на стекле или стали.



Рисунок 2.4 - Штриховка на шкале измерительного датчика

Разработанные фирмой HEIDENHAIN фотолитографические методы нанесения штрихов позволяют достичь периода сигнала от 40 мкм до 4 мкм. Помимо очень точного периода шкала, изготовленная такими методами, имеет профиль с очень четкими и ровными краями. В сочетании с фотоэлектрическим методом считывания эти шкалы позволяют получать высококачественный выходной сигнал. Фирма HEIDENHAIN изготавливает эталоны на высокопрецизионных станках на собственном производстве.

При модернизации используются датчики с инкрементным методом измерения. При инкрементальном методе измерения шкала состоит только из ряда равномерных штрихов. Данные о положении получаются путем подсчета отдельных инкрементов относительно выбранной нулевой точки. Для определения положения используется абсолютная точка отсчета, в качестве которой на шкале используется отдельный ряд штрихов (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Шкала линейного датчика с инкрементным измерением

В данном проекте произведена замена старого датчика линейного положения на современный датчик фирмы HEIDENHAIN LC183. Характеристики датчика приведены ниже в таблице 2.3

Таблица 2.3 - Характеристика датчика линейного перемещения HEIDENHAIN LC183

Наименование параметров	Значения
Шкала	Шкала типа ДИАДУР на носителе из стекла с кодированной и инкрементальной дорожками
Длина измерения	4040mm
Инкременты сигнала	~ 1Vss
Период шкалы	20 мкм
Частота среза	?150 кГц
Напряжение питания	от 3,6 до 5,25 В/< 300 мA
Скорость перемещения	?180 м/мин
Сила подачи	?4 Н
Класс точности	±5
Рекомендуемый шаг измерения	10 до 0,1
Масса	3,7 кг/м
Отсчетная метка	C кодированным расстоянием

Прецизионные шкалы, выполненные методом ДИАДУР, изготовляются путем нанесения очень тонкого слоя хрома на носитель, в большинстве случаев - это стекло или стеклокерамика, причем точность делений гарантирует минимум микрометр и лучше.

2.4 Моделирование привода подачи

2.4.1 Обоснование метода моделирования

Математическое моделирование обладает более широкими возможностями. Под этим видом моделирования понимают способ исследования различных процессов путем изучения явлений, имеющих различное физическое содержание, но описываемых одинаковыми математическими моделями. Математическое моделирование - это совокупность математических объектов (символов, чисел, множеств, переменных, векторов, графов) и отношений и связей между ними, адекватно отображающих некоторые существенные стороны объектов, важнейшие для проектировщика свойства проектируемого технического объекта. Данный вид моделирования процессов и явлений в различных областях науки и техники является одним из основных способов получения новых знаний и технологических решений.

К математическим моделям можно отнести алгоритмы и программы, составленные для ЭВМ, которые в условных знаках отражают определенные процессы, описанные дифференциальными уравнениями, положенными в основу алгоритмов. На основании математических моделей выполняется анализ исследуемых объектов.

Математическая модель в общем случае представляет собой систему математического описания, отражающую сущность явлений, протекающих в объекте моделирования, которая с помощью определенного алгоритма позволяет прогнозировать поведение объекта при изменении входных и управляющих параметров. Блочно-иерархическое представление объектов проектирования на каждом уровне использует свои математические модели.

Моделирование является одной из важнейших задач анализа систем автоматического управления, позволяющей имитировать поведение реального электропривода в различных условиях эксплуатации, предусмотреть аварийные ситуации или повышение нагрузки. Моделирование заменяет экспериментирование с реальными системами, которые в рабочих условиях должны функционировать устройство, надежно и безопасно. Основные преимущества моделирования:

можно исследовать поведение системы при самых разных условиях, в том числе запредельных;

по данным модельных испытаний можно оценить поведение проектируемой, но еще не существующей системы;

разнообразные испытания можно выполнить за сравнительно короткий промежуток времени;

моделирование часто является единственным экологически безопасным и экономически приемлемым методом анализа поведения систем.

Наиболее часто производится имитационное моделирование на цифровых вычислительных машинах.

Данный метод получил широкое распространение благодаря наглядному графическому представлению о взаимосвязи управляемых и входных переменных, кроме того, проектировщик может легко обнаружить необходимость введения в существующую структурную схему дополнительных блоков с целью улучшения характеристик системы.

2.4.2 Системы управления электроприводом

Расчет синхронного двигателя привода подачи токарного станка [5]

Рассмотрим параметры канала регулирования скорости:

1 Передаточная функция датчика тока по оси Z:

- номинальный сигнал задания РТ:

- индуктивность ротора:

(2.15)

где X2=0.28

- ндуктивность статора:

 (2.16)

где X1=0.31

- коэффициент рассеивания магнитных полей статора и ротора:

- число пар полюсов:

(2.17)

- взаимная индуктивность между статором и ротором:

(2.18)

- номинальная частота вращения ротора:

(2.19)

- номинальный момент:



- коэффициент трансформации:

(2.20)

- номинальное потокосцепление:

(2.21)

- проекция номинального тока на ось Z:

(2.22)

- перегрузочная способность:

- коэффициент датчика тока:

(2.23)

2 Передаточная функция регулятора тока:

- статический коэффициент передачи ЧП:

(2.24)

- некомпенсированная постоянная времени:

(2.25)

где R1=0,18 статорное сопротивление R2=0,32 роторное активное сопротивление

- постоянная времени статора:

(2.26)

- коэффициент передачи пропорциональной части ПИ-регулятора:

(2.27)

- постоянная времени регулятора:

(2.28)

3 Передаточная функция частотного преобразователя:

- постоянная времени ЧП:

3 Передаточная функция электрической части СД по каналу регулирования тока:

- постоянная времени ПФ электрической части СД:

(2.29)

,

4 Передаточная функция механической части двигателя:

- маховый момент ротора двигателя;

(2.31)

5 Передаточная функция ПИ-регулятора скорости:

- коэффициент обратной связи по скорости:

- коэффициент передачи регулятора скорости:

(2.30)

- постоянная времени интегрирующей части ПИ-регулятора:

(2.31)

6 Передаточная функция датчика скорости

- коэффициент обратной связи по скорости:

Канал регулирования потокосцепления Ш₂

7 Передаточная функция канала ОС по току I_1x:

- постоянная времени ротора:

(2.32)

(2.33)

- коэффициент передачи звена:

8 Передаточная функция ПИ-регулятора тока I_1x:

- коэффициент передачи пропорциональной части ПИ-регулятора:

(2.34)

- постоянная времени интегрирующей части ПИ-регулятора, с

(2.35)

9 Передаточная функция цепи обратной связи по потокосцеплению:

- коэффициент передачи звена:

10 Передаточная функция регулятора потокосцепления:

- постоянная времени регулятора:

- коэффициент передачи пропорциональной части ПИ-регулятора:

(2.36)

- постоянная времени ПИ-регулятора потокосцепления:

(2.37)

11 Передаточная функция электрической части двигателя по каналу регулирования тока i_1x:

- коэффициент передачи звена:

2.4.3 Математическая модель САУ

Структурная схема - условное графическое изображение дифференциального уравнения. На основании принципиальной схемы было произведено разделение электромеханической системы на звенья направленного действия. Эти звенья - электродвигатель, получающий энергию от преобразователя, регуляторы тока и скорости и цепи обратных связей с соответствующими коэффициентами передач.

После определения структурных схем отдельных звеньев, составляем структурную схему полной электромеханической системы, дающую наглядное представление об отдельных звеньях и процессах, проходящих внутри - внутренних переменных, что позволяет достичь наилучшего решения при оптимизации параметров. На рисунке 2.7 приведена схема математической модели.

2.4.4 Математическая модель электропривода в среде моделирования Simulink пакета Matlab

Оценка статических и динамических свойств системы регулирования скорости производится при пуске, набросе, сбросе нагрузки и торможении для номинального, минимального и максимального задания скорости во всех зонах регулирования.

На рисунке 2.8 приведены полученные графики изменения скорости , момента М, потокосцепления Ш₂, при пуске, набросе нагрузки, сбросе нагрузки и торможении электропривода при номинальном сигнале задания скорости.

Рисунок 2.7 - Математическая модель синхронного двигателя среде Simulink пакета Matlab



Рисунок 2.8 - Осциллограммы переходных процессов

3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ ПОДАЧИ СТАНКА HOESCH D1000

3.1 Назначение системы управления электроприводом станка

Основным заданием управления для СУ ЕП подач для токарного станка HOESCH D1000, являются обеспечение высокой точности системы, оптимизация режимов работы электрооборудования. Также СУ предназначенная для выполнения функции системы согласования ЭВМ с объектом управления, силовых исполнительных устройств, непосредственно на объект управления.

Система соединения, которая представляет собой цифровой следящий электропривод, что используется для введения в ЭВМ информации о стане объекта, для связи с системами контроля и устройствами представления информации оператору, а также может употребиться как промежуточные средства связи ЭВМ с исполнительными органами станка.

Главной задачей системы числового управления станка является измерение и регулирования величины перемещений.

Для корректной работы проектируемая система управления должна обеспечивать восприятие сигналов от установленных датчиков, переключателей, команды оператора, регулировать технологический процесс, а также обеспечить своевременную работу сигнализации и блокировок.

Чтобы выполнить задачу необходимо соответствующим образом запрограммировать микроконтроллер. Для создания микропроцессорной СУ поводом подачи станку необходимо знать количество и уровни входных и исходных сигналов, требования к точности и быстродействию, алгоритм выполнения операций. Следует также выбрать средства и методы реализации микропроцессорного модулю.