Модернизация станка с числовым программным управлением

Величины поправочных коэффициентов приведены в табл. 3.1.2.2.

Таблица 3.1.2.2 Поправочные коэффициенты для режимов резания

Коэффициент режим резания	Kmv	Kиv	Kпv	KГ	nv	ув
Черновое точение	1	1,15	0,85	1	1	750
Чистовое точение	1	1,15	1	1	1	750

Тогда скорость резания при черновом точении

м/мин,

при чистовом точении

м/мин.

Результаты расчета скорости резания приведены в табл. 3.1.2.3.

Таблица 3.1.2.3 Результаты расчета скорости резания

Режимы резания	Черновое точение	Чистовое точение
Скорость резания v, м/мин	111,45	479,35

Силу резания F, принято раскладывать на составляющие силы, направленные по осям координат станка (тангенциальную, радиальную и осевую). При наружном продольном точении осевая сила резания

Н, (3.1.2.4)

где С_p -постоянный для конкретных (расчетных) условий обработки для осевой составляющей силы резания для конструкционной стали с у_в=750 МПа; x, y, n - показатели степени для конкретных (расчетных) условий обработки для осевой составляющей силы резания для конструкционной стали с у_в=750 МПа; s - величина подачи для расчетного режима резания мм/об; v - расчетная скорость резания м/мин.

Данные коэффициентов приведены в табл. 3.1.2.4.

Таблица 3.1.2.4 Поправочные коэффициенты для режимов резания

Коэффициент режим резания	Сp	t	s	v	x	y	n	Kp
Черновое точение	339	1,7	1	111,45	1	0,5	-0,4	1,09
Чистовое точение	339	0,3	0,1	479,35	1	0,5	-0,4	1,09

K_p - поправочный коэффициент, представляющий собой произведение ряда коэффициентов, учитывающих фактические условия резания

. (3.1.2.5)

K_mp - рассчитывается по формуле

.(3.1.2.6)

Величины поправочных коэффициентов сведены в табл. 3.1.2.5.

Таблица 3.1.2.5 Величины поправочных коэффициентов

Коэффициенты	Kmp	Kцp	Kгp	Kлp	N
Значение	1	0,78	1,4	1	0,75

Определим силу резания для чернового точения

Н,

для чистового точения

Н.

Результаты расчета силы резания сведены в табл. 3.1.2.6.

Таблица 3.1.2.6 Результаты расчета силы резания

Режимы резания	Черновое точение	Чистовое точение
Сила резания F, Н	955	29,74

Момент резания

, H,(3.1.2.7)

где d - диаметр обрабатываемой детали, м, тогда, для чернового точения

Нм,

при чистовом точении

Нм.

Результаты расчета моментов резания сведены в табл. 3.1.2.7.

Таблица 3.1.2.7 Результаты расчета моментов резания

Режимы резания	Черновое точение	Чистовое точение
F, Н	955	31,73
d, м	0,04	0,0366
Mp	19,1	0,54

3.1.3 Предварительный выбор двигателя

Электропривод производственного механизма считается работоспособным, если он работает в заданном технологическом режиме. Это возможно в том случае, когда номинальная мощность двигателя соответствует нагрузке на его валу и режиму его работы.

При расчете номинальной мощности двигателя предварительно можно принять как

, кВт,(3.1.3.1)

где M_max - максимальный статический момент, приведенный к валу двигателя, Н; щ_max - максимальная частота вращения вала двигателя в рад/с.

Определим статические моменты при черновом и чистовом точении по формуле

, Н,(3.1.3.2)

где F - сила резания для заданного режима, Н; с=0.0095 - радиус приведения к валу двигателя со скоростью щ; з=0.95 - КПД механической передачи. Результаты сведем в табл. 3.1.2.8.

Таблица 3.1.2.8 Результаты расчета силы резания и статического момента

	F, Н	Mст, Нм
Черновой режим	955	9,6
Чистовой режим	31,73	0,3

Из проведенных расчетов видно, что максимальному статическому моменту соответствует момент при черновом точении. Максимальную частоту вращения двигателя определяем исходя из условия, обеспечения скорости быстрых перемещений суппорта V=2 м/мин

рад/с

или

об/мин.

Частота вращения двигателя на рабочих подачах определяется по формуле

рад/с.(3.1.3.3)

Найденные результаты сведены табл. 3.1.2.9.

Таблица 3.1.2.9 Результаты расчета угловой скорости

	V, м/мин	щ, рад/с	n,об/мин
Ускоренное перемещение	2	209,44	2000
Черновое точение	0,45	47,12	450
Чистовое точение	0,045	4,71	45

Определим необходимую мощность двигателя

кВт.

3.2 Выбор рода тока и типа электропривода

Выбор рода тока и типа электропривода целесообразно производить на основе рассмотрения и сравнения технико-экономических показателей ряда вариантов, удовлетворяющих техническим требованиям данной рабочей машины. На основании исходных данных и требований, предъявляемых к электроприводу, необходимо выбрать вариант электропривода, способный полностью выполнить требования и быть одновременно максимально экономичным.

«Правила устройства электроустановок» [10] рекомендуют начинать процесс выбора рода тока с двигателей переменного тока.

«...V-3-11. Для привода механизмов, не требующих регулирования частоты вращения, независимо от их мощности, рекомендуется применять электродвигатели синхронные или асинхронные с короткозамкнутым ротором.

Для привода механизмов, имеющих тяжелые условия пуска или работы либо требующих изменения частоты вращения, следует применять электродвигатели с наиболее простыми и экономичными методами пуска или регулирования частоты вращения, возможными в данной установке...

«…V-3-14. Электродвигатели постоянного тока допускается применять только в тех случаях, когда электродвигатели переменного тока не обеспечивают требуемых характеристик механизма либо не экономичны...»

Для нерегулируемого привода выбор типа двигателя прост. Двигатели переменного тока проще по конструкции, стоимость их ниже, обслуживание тоже требует меньших затрат. При повторно-кратковременном режиме работы с частыми пусками и торможениями рационально использовать двигатели повышенного скольжения.

Для регулируемого привода задача выбора типа привода решается сложнее. В зависимости от диапазона и плавности регулирования скорости, требований к качеству переходных процессов могут быть применены как системы реостатного регулирования скорости, так и системы с индивидуальными преобразователями. При глубоком регулировании скорости в большинстве случаев вопрос решается в пользу приводов постоянного тока. Однако конкурентными по своим свойствам являются приводы с частотным и частотно-токовым управлением. Преимущества приводов с асинхронными двигателями - простота конструкции и повышенная надежность двигателей, возможность их изготовления в поточном производстве.

Препятствием к быстрому внедрению частотно-регулируемых приводов является сложность систем управления, что приводит к недостаточной надежности их работы и повышенной стоимости. Появление на мировом рынке частотно-регулируемых электроприводов с микропроцессорным управлением повышает их надежность, но стоимость их не снижается.

Сравнением основные характеристики электроприводов постоянного тока и переменного тока в промышленном применении

Сравнение проводится между 6-пульсными 3-фазными тиристорными приводами постоянного тока с независимым возбуждением [далее называемыми ППТ] и 3-фазными приводами переменного тока на базе преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией и асинхронного двигателя [далее называемыми ЧРП - частотно регулируемый привод], в следующих типовых категориях:

ППТ - P = 11 kW ... 5200 kW; U = 200 V ... 1190 V

ЧРП - P = 0.75 kW ... 2000 kW; U = 380 V ... 690 V

В первом приближении существенных отличий между этими приводами не так и много; однако, при более детальном рассмотрении, выявляются характерные особенности приводов и различие физических принципов функционирования Различия между тиристорными преобразователями постоянного тока и преобразователями частоты

Коммутация и преобразование электрической энергии:

Структурная схема 1-квадрантного электропривода постоянного тока. Переход тока от одного тиристора к другому начинается с пускового импульса, и после этого продолжается в линейно взаимосвязанном режиме. Это значит, что напряжение между коммутируемыми фазами сети поляризуется таким образом, что ток вновь открываемого тиристора увеличивается, и запирает предшествующий тиристор, снижая его ток до ноля. Коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети) при переходе тока через ноль и запирание тиристоров происходит без каких-либо проблем даже при значительной перегрузке. Поэтому тиристоры могут выбираться не по пиковому току, а по среднедействующему номинальному току нагрузки.

Рис. 3.2.1 Типовая схема преобразователя частоты

На рис. 3.2.1 показан состав силовой части такого преобразователя частоты: сеть переменного тока - неуправляемый выпрямитель В -шины постоянного тока - конденсатор LC-фильтра - автономный инвертор напряжения И с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) - асинхронный двигатель АД, к которому приложено переменное 3-фазное напряжение с регулируемой частотой f = var и амплитудой U =var ; управление инвертором осуществляется блоком управления БУ.

Хотя входной выпрямительный мост преобразователя частоты работает подобно приводу постоянного тока, однако выпрямленный им ток должен быть преобразован обратно в 3-х фазный переменный с помощью инвертора. Так как у постоянного тока нет никаких переходов через ноль, то переключающие элементы (IGBT транзисторы) должны прерывать полный ток нагрузки. Когда IGBT транзистор закрывается, ток проходит через обратный диод на противоположный полюс напряжения постоянного тока. Переключение происходит без контроля напряжения, но оно возможно в любое время независимо от формы сетевого напряжения.

Результат

Коммутация в преобразователях частоты происходит с большой частотой и в выходном напряжении появляется высокочастотная составляющая, и могут возникнуть проблемы с электромагнитной совместимостью.

В преобразователях постоянного тока есть только один контур преобразования энергии (AC > DC). В преобразователях частоты два контура преобразования энергии (AC > DC и DC > AC), т.е. потери мощности удваиваются по сравнению с приводами постоянного тока.

Потери мощности, полученные эмпирическим путем следующие: ППТ - 0.8 % ... 1.5 % от номинальной мощности; ЧРП - 2 % ... 3.5 % от номинальной мощности.

Место, требуемое для размещения шкафа преобразователя мощностью от 100 kW: ППТ - 100 %, ЧРП - 130 % ... 300 %. Это преимущество приводов постоянного тока обуславливает уменьшение размера и стоимости электрошкафа и системы охлаждения.

Вывод

Сравнив достоинства и недостатки привода постоянного тока и привода переменного тока выбираю частотно-регулируемый привод.

Сравнительная характеристика синхронного сервопривода на постоянных магнитах и асинхронного сервопривода

Синхронные двигатели на постоянных магнитах

Достоинства:

– хорошая управляемость (стабильность скорости);

– большая величина отношения мощность/размер;

– высокий КПД;

– не требуют обслуживания (нет щёток);

– высокая перегрузочная способность (до 5·T_ном);

– пониженный нагрев при малых скоростях;

– высокий динамический коэффициент (T_max/J);

– большой диапазон регулирования (до 32000);

– высокая точность позиционирования;

– обеспечение удержания вала при нулевой скорости.

Недостатки:

– Высокая стоимость преобразователя и двигателя;

– Не работает без датчика обратной связи;

– Ограничение максимальной скорости.

Трехфазные асинхронные двигатели (с энкодером)

Достоинства:

– высокий КПД;

– не требуют обслуживания (нет щёток);

– большая максимальная скорость;

– хорошая управляемость (стабильность скорости);

– большой диапазон регулирования (до 32000);

– обеспечение удержания вала при нулевой скорости;

– высокая точность позиционирования;

– может работать без датчика обратной связи.

Недостатки:

– нагрев при малых скоростях -> независимая вентиляция;

– перегрузочная способность (до 3 · T_ном);

– высокая стоимость (преобразователь, энкодер);

– не большая величина отношения мощность/размер.

Сравнение двух приводов в табл. 3.2.1.

Таблица 3.2.1

Асинхронный	Синхронный
Номинальная мощность: 0,75 кВт	Номинальная мощность: 0,75 кВт
Ном. скорость: 2825 об/мин	Ном. скорость: 3000 об/мин
Ном. момент: 2,5 Н · м	Ном. момент: 2,4 Н · м
Макс. момент: 6,6 Н · м	Макс. момент: 12,0 Н · м
Момент инерции ротора: 5,7 x 10-4 кг · м2	Момент инерции ротора: 2,7 x 10-4 кг · м2
Теоретическое время разгона до 3000 об/мин: 27 мс	Теоретическое время разгона до 3000 об/мин: 7 мс
Номинальный ток: 3,0 А	Номинальный ток: 2,6 А
Номинальное напряжение: 230 В	Номинальное напряжение: 190 В
КПД: 77 %	КПД: 88 %

3.3 Выбор комплектного силового электрооборудования

3.3.1 Выбор преобразователя (комплектного электропривода)

На основании требований, предъявляемых к электроприводу, и анализа результатов предварительной проверки двигателя по производительности, нагреву и обеспечению технологических условий осуществляется выбор комплектного электропривода.

Комплектный электропривод состоит из:

- электродвигатель;

- силовой трансформатор (или токоограничивающий реактор);

- силовой тиристорный преобразователь для питания двигателя, состоящий из силовых тиристоров с системой охлаждения, защитных предохранителей, разрядных, фильтрующих и защитных R, L, С цепей;

- для привода постоянного тока - тиристорный преобразователь для питания обмотки возбуждения при регулируемом магнитном потоке двигателя постоянного тока (или встроенный источник возбуждения, или аппаратуру для подключения обмотки возбуждения к сети постоянного напряжения при нерегулируемом потоке двигателя);

- систему импульсно-фазового управления, устройства выделения аварийного режима, контроля предохранителей и защиты от перенапряжений;

- коммутационную и защитную аппаратуру в цепях постоянного и переменного тока (автоматические выключатели, линейные контакторы, рубильники);

- сглаживающий реактор в цепи постоянного тока (при необходимости);

- устройство динамического торможения (при необходимости);

- шкаф высоковольтного ввода (при необходимости);

- систему управления электроприводом;

- комплект аппаратов, приборов и устройств, обеспечивающих оперативное управление, контроль состояния и сигнализацию электропривода;

- узлы питания обмотки возбуждения тахогенератора и электромеханического тормоза.

При выборе модели частотного преобразователя следует исходить из конкретной задачи, которую должен решать электропривод:

– типа и мощности подключаемого электродвигателя,

– точности и диапазона регулирования скорости,

– точности поддержания момента вращения на валу двигателя.

При работе со стандартным асинхронным двигателем преобразователь следует выбирать с соответствующей мощностью. При выборе преобразователя для работы со специальными двигателями (двигатели с тормозами, синхронные двигатели, высокоскоростные и т.д.) следует руководствоваться, прежде всего, номинальным током преобразователя, который должен быть больше номинального тока двигателя.

Для увеличения точности поддержания момента и скорости на валу двигателя в наиболее совершенных преобразователях реализовано векторное управление, позволяющее работать с полным моментом двигателя в области нулевых частот, поддерживать скорость при переменной нагрузке без датчиков обратной связи, точно контролировать момент на валу двигателя.

I_нтп ?I_н;

U_нтп?U_н.

где I_н, U_н - номинальные значения тока и напряжения двигателя; I_нтп, U_нтп - номинальные значения тока и напряжения преобразователя.

Исходя из технологических требований предъявляемых к электрооборудованию выбираю комплектный электропривод главного движения 690C-011-4-BS с двигателем MA-100 P-FB с принудительным охлаждением. Совместное комплектное решение для станочного оборудования мировых производителей фирмы «Балт-Систем» (Россия) и фирмы «SSD Parvex» (Франция).

Технические данные приведены в табл. 3.3.2.1.

Таблица 3.3.2.1

Тип	Макс. мощность двигателя, кВт	Мощность преобразователя, кВА	Ном. ток, А	Ном. напряжение, В
690C-011-4-BS	11	18	25	380

Основные характеристики асинхронного двигателя главного движения в табл. 3.3.2.2.

Таблица 3.3.2.2

Тип	Ном. мощность, кВт	Ном. скорость, об/мин	Ном. ток, А	Ном. момент, M·n	Ном. напряж., В	Ном. частота, Гц	cosц
MA-100 P-FB	11,0	1460	23	72	380	50	0,85

В качестве привода подач комплектный привод подачи НА-075-HM-13-17.0-020-Z (Япония) (максимальный ток I_max=75 А) с синхронными вентильными электродвигателями HM переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов.

Характеристики сервопривода серии НА приведены в табл. 3.3.2.3.

Таблица 3.3.2.3

Наименование	Наименование комплектного привода серии HA	Рн, ВА	щн , об/мин	Iн, А	Uн, В
Электропривод оси Z	HA-075	4000	2000	10,0	380

Характеристики синхронного электродвигателя подач в табл. 3.3.2.4.

Таблица 3.3.2.4

Наименование	Тип	Рн, кВт	nмакс об/мин	Mд0,, Нм	Iн, А	Uн, В	cosц
Электродвигатель оси Z	HM-13-17.0-020-Z	3,8	2000	17	9,5	380	0,9

Привод главного движения 690 P+ с двигателем серии MA

Векторный привод главного движения серии 690 P+ Векторный привод главного движения построен на базе 32-битного микропроцессора и предназначен для управления асинхронным двигателем. Продукция компании PARVEX. Описание

Векторное управление по потоку. Превосходные параметры в режиме регулирования с разомкнутым контуром: крутящий момент 150% при частоте 0.5 Гц.

Бесшумная работа. Режим бесшумной работы без снижения тока (за счет повышения несущей частоты).

Широкий выбор дополнительных карт: сетевые интерфейсы, функции ПЛК, интерфейс Mechatrolink, аналоговые и дискретные входы/выходы и т.п.

Программное обеспечение для программирования: CX-drive для настройки параметров .

CASE (прикладное программное обеспечение для инверторов) и дополнительная карта с функциями ПЛК.

Диапазон регулирования скорости:

– 1:40 (V/f-регулирование)

– 1:100 (векторное управление с разомкнутым контуром)

– 1:1000 (векторное управление с замкнутым контуром)

Реакция на управляющее воздействие по скорости 5 Гц регулирование без PG) 30 Гц (регулирование с PG).

Ограничения крутящего момента предусмотрено отдельно для каждого из 4 секторов путем настройки констант.

Погрешность регулирования крутящего момента± 5%

Диапазон частоты 0,01 - 150 Гц (повышенная нагрузка),

0,01 - 400 Гц (обычная нагрузка 1 или 2)

Разрешение по выходной частоте 0,01 Гц

Рабочая температура окружающей среды -10...+40°C (IP20),-10...+45°C (IP00)

Номинальное входное напряжение VAC (50/60 Гц) 3х400 В +10%, -15%

Номинальное выходное напряжение VAC (50/60 Гц) 3х400 В

Асинхронный двигатель главного движения имеет высокие динамические и скоростные характеристики:

- Управляется приводом серии 690 P+;

- Инкрементальный встроенный энкодер;

- Защита IP-54;

- Встроенный вентилятор.

Привода данного типа разработаны для использования в станках в качестве шпиндельного привода совместно с асинхронными двигателями переменного тока (например: серии МА) и имеют в зависимости от типа (B,C,D,E,F) максимальную мощность 0.37-1000 kW.

Привода могут использоваться как с пассивным резистором сброса энергии двигателя, так и совместно с дополнительным рекуперативным 4-Q блоком при больших мощностях.

Схема имеет 4 конфигурируемых 10 битных аналоговых входа и 3 выхода.

Также имеется 8 переназначаемых дискретных (+24 вольт) входа и 3 релейных выхода (3А 230V).

Привод может использоваться без датчика обратной связи по скорости (режим sensorless - точность поддержания скорости 1%) и с энкодером, находящимся на валу двигателя режим closed loop vector (точность поддержания скорости 0.1 %).

Подключение датчика обратной связи производится через терминал С (сигналы) и терминал В (питание энкодера, его напряжение выставляется переключателем от 5 до 24 вольт), при этом входное напряжение для блока питания датчика (выводы 1 разъемов А и В) можно использовать от внутреннего источника +24 вольт привода (выводы 11,20 разъема ТВ1).

Алгоритм работы контроллера привода находится во внутренней флэш памяти и может быть изменен при помощи внешней программы (например CELite) находящейся на соединенном с приводом через RS 232 компьютере в памяти привода находится несколько стандартных вариантов алгоритма (MACRO 1-9) к которым можно вернуться, если попытка изменения алгоритма оказалась неудачной. С пульта управления приводом по умолчанию загружается MACRO 1.

Электроприводы подачи серии HA-HM

Электропривод серий HA-HM (далее - электропривод) представляет собой регулируемые (следящие) однокоординатные реверсивные электроприводы переменного тока с длительным моментом на валу от 1,0 до 48,0 Нм. Электропривод применяются для быстродействующих механизмов подачи металлообрабатывающих станков, в том числе с числовым программным управлением, для исполнительных механизмов промышленных роботов, механизмов гибких производственных систем и для других механизмов следящих систем, которые требуют точных перемещений и регулирования скорости вращения в широком диапазоне.

В состав электропривода серии HA-HM входят преобразователь серии HA и электродвигатель серии HM.

Электродвигатель HM представляет собой синхронный вентильный электродвигатель переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов, расположенных на роторе. Электродвигатель HM имеет трёхфазную обмотку якоря. Фазные обмотки якоря электродвигателя соединены треугольником. Синусоидальная форма тока через фазные обмотки якоря двигателя позволяет обеспечить сглаживание кривой момента при низкой скорости вращения, требуемое в металлообработке, текстильной промышленности, упаковочных машинах и т.д.

Электродвигатель HM имеет бесконтактный комбинированный фотоэлектрический датчик (энкодер), который совмещает функции датчика положения ротора (ДПР) и датчика угловых перемещений (2500 импульсов на один оборот). ДПР обеспечивает правильную работу электронного коммутатора во время пуска электродвигателя и в его рабочем режиме. Датчик угловых перемещений преобразует измеряемое перемещение в последовательность электрических сигналов, которая несёт в себе информацию о величине и направлении перемещения. Этот датчик выполняет функцию датчика обратной связи (ДОС) в следящих системах.

Преобразователь HA обеспечивает управление электродвигателем HM. Преобразователь HA построен на базе силовых ключей на IGBT транзисторах, которые представляют собой комбинацию биполярного и полевого транзисторов.

Преобразователь имеет микропроцессорное управление на основе усовершенствованного 16 разрядного DSP контроллера (Digital Signal Processor) для обеспечения цифрового контроля по скорости и по положению.

Преобразователь HA имеет встроенный блок питания. Конструктивно преобразователи HA выпускают в блочном варианте исполнения, они имеют цифровую панель оператора с дисплеем и четырьмя кнопки управления. Основная управляющая программа контроллера хранится в EEPROM (ППЗУ). Меню оператора включает пять режимов.

Используя программное обеспечение, панель индикации и кнопки управления, можно установить один из режимов работы преобразователя, выбрать электродвигатель, с которым может работать преобразователь, и настроить его рабочие параметры, отобразить на панели индикации состояние электропривода, редактировать ранее введённые параметры, вернуть исходные значения параметров, установленные фирмой-изготовителем.

Питание электроприводов производится от трёхфазной промышленной сети переменного тока частотой 50 (60) Гц с линейным напряжением:

380 В - для серии HA-HM.

При подключении электроприводов к сети питания необходимо соблюдать следующие требования:

– электроприводы серии HA-HM допускается подключать к трёхфазной сети 380 В без входного трансформатора.

Электроприводы могут быть двух типов: без тормоза и со встроенным тормозом для фиксации оси станка при пропадании питающего напряжения. По виду управления электроприводы являются цифроаналоговыми. Электроприводы имеют обратную связь, как по скорости, так и по положению.

На рис. 3.3.1. приведена функциональная схема электропривода в режиме контроля скорости.

Рис. 3.3.1. Схема функциональная электропривода в режиме контроля скорости

На рис. 3.3.2. приведена функциональная схема электропривода в режиме контроля по положению.

Рис. 3.3.2. Схема функциональная электропривода в режиме контроля по положению



Рис. 3.3.3. Структура условного обозначения электроприводов серии HA-HM

Схемы соединений электропривода серии HA-HM

Электропривод серии HA-HM состоит из преобразователя серии HA и электродвигателя серии HM. Соединение составных частей электропривода серии HA-HM между собой показано на рис. 3.3.4.

Рис. 3.3.4. Соединение составных частей электропривода серии HA-HM

Интерфейс преобразователя

Характеристики входных сигналов:

1) вид входного сигнала - напряжение постоянного тока;

2) уровень входного сигнала:

логический «0» - 0-7 В;

логическая «1» - 15-30 В.

3) номинальный входной ток - 16 мА/24 В;

4) электрическая прочность оптоизоляции - 1500 В, не менее.

Характеристики выходных сигналов:

1) тип выхода - открытый коллектор;

2) коммутируемое напряжение - 15-30 В;

3) номинальный выходной ток - 40 мА/24 В.

Вид управления:

1) цифровой:

тип входа - дифференциальный;

амплитуда сигналов - 0-5 В;

диапазон входного тока - 7-15 мА.

2) аналоговый:

тип входа - дифференциальный;

входное сопротивление - 10 кОм;

входное напряжение +/- 10 В.

Вид преобразователя - транзисторный

Диапазон регулирования скорости - 1:10000

Внешнее дополнительное питание - +24 В/100мА

Допустимые отклонения питающей сети:

- напряжение питающей сети - от минус 20 до плюс 15% от номинала

- частоты питающей сети - +2% от номинала

3.4 Проверка работоспособности электропривода и электрооборудования

3.4.1 Построение тахограммы

Для построения тахограммы привода продольной подачи необходимо определить время протекания расчетных режимов резания, в соответствии с заданным технологическим процессом.

Определим время пуска и торможения для каждого режима работы

с, (3.4.1.1)

где щ - частота вращения двигателя в конце переходного режима, рад/с; E - допустимое ускорение электропривода, E =100рад/с². Полученные результаты приведены в табл. 3.4.1.1.

Таблица 3.4.1.1 Результаты расчета времени переходных процессов

	Черновое точение	Чистовое точение	Ускоренные перемещения
щ, рад/с	47,12	4,71	209,44
tпуск , с	0,47	0,047	2,1
tторм , с	0,47	0,047	2,1

Время точения заготовки длинной 140мм определим по формуле

, с, (3.4.1.2)

где l_д - длина обрабатываемой детали, l=140мм; V - поступательная скорость суппорта для заданного режима резания, м/мин.

Для построения тахограммы необходимо определить величину и время перемещения суппорта на холостом ходу и при возврате в исходное при ускоренных перемещениях.

Таблица 3.4.1.2 Время точения заготовки

	V, м/мин	tТ, с
Черновое точение	0,45	18,7
Чистовое точение	0,045	186,7

Найдем ускорения суппорта в переходных режимах

, м/с², (3.4.1.3)

м/с².

Определим перемещения суппорта в переходных режимах

, м, (3.4.1.4)

где a - ускорение суппорта, м/мин²; t - время пуска или торможения для расчетного режима работы привода.

Для чернового точения

м,

для чистового точения

м,

для ускоренных перемещений

м.

Тогда перемещения на холостом ходу для режимов точения определим:

, м, (3.4.1.5)

где l - полное продольное перемещение суппорта, l=0.16м; l_п - перемещения во время переходных режимов для чернового и чистового точения.

Перемещение суппорта на холостом ходу при ускоренных перемещениях определяется

, м. (3.4.1.6)

Таблица 3.4.1.3 Перемещения суппорта в переходных режимах

	Черновое точение	Чистовое точение	Ускоренные перемещения
lп,м	2,9•10-5	2,9•10-7	5,8•10-4
lхх,м	0,019	0,019	0,159

Время перемещения на холостом ходу, для каждого из режимов определим по формуле

с. (3.4.1.7)

Тогда для чернового точения

с,

для чистового точения

с,

для возврата в исходное положение на быстром ходу

с.

Произведем расчет всех, временных, интервалов технологического процесса.

Черновое точение

с, с,

с, с,

с.

c - время паузы между операциями, необходимое для подвода отвода резца. Тахограмма для чернового точения изображена на рис. 3.4.1.1.

Рис. 3.4.1.1 Тахограмма чернового точения

Возврат суппорта в исходное положение на ускоренном ходу

с, с,

с, с.

Тахограмма для возврата в исходное положение изображена на рис. 3.4.1.2.

Рис. 3.4.1.2 Тахограмма возврата в исходное положение

Чистовое точение

с, с,

с, с,

с, с.

Тахограмма для чистового точения изображена на рис. 3.4.1.3.

Рис. 3.4.1.3 Тахограмма для чистового точения

Интервал времени t₂₀=3мин=180с, время необходимое для смены заготовки.

Результаты расчета всех временных интервалов приведены табл. 3.4.1.4.

Таблица 3.4.1.4 Результаты расчета тахограммы

Интервал	Время, с	Интервал	Время, с
t1	0,47	t11	0,047
t2	1,27	t12	12,67
t3	18,7	t13	186,7
t4	1,27	t14	12,67
t5	0,47	t15	0,047
t6	2,0	t16	2,0
t7	2,1	t17	2,1
t8	4,7	t18	4,7
t9	2,1	t19	2,1
t10	2,0	t20	180

3.4.2 Построение нагрузочной диаграммы

Для построения нагрузочной диаграммы необходимо определить величину моментов на данных промежутках времени.

Динамический момент при разгоне определяется

Нм, (3.4.2.1)

где E - допустимое ускорение, рад/с², положительная величина которого принимается при пуске, а отрицательная при торможении; J_У - суммарный момент инерции механической передачи и двигателя, кг•м²;

Нм.

Момент холостого хода принимаем

Нм.

При пусках и торможениях суммарный момент равен

, Нм, (3.4.1.2)

при точении

При ускоренных перемещениях и при перемещениях на рабочих подачах без нагрузки:

Произведем расчет моментов, приведенных к валу двигателя для каждого режима в соответствии с временными интервалами тахограммы.

Черновое точение

Нм, Нм,

Нм, Нм,

Нм, Нм.

Нагрузочная диаграмма для чернового точения приведена на рис. 3.4.2.1.

Рис 3.4.2.1 Нагрузочная диаграмма чернового точения

Возврат суппорта в исходное положение на ускоренном ходу

Нм, Нм,

Нм, Нм.

Нагрузочная диаграмма для возврата в исходное положение приведена на рис. 3.4.2.2.

Рис. 3.4.2.2 Нагрузочная диаграмма возврата в исходное положение

Чистовое точение

Нм, Нм,

Нм, Нм,

Нм, Нм.

Нагрузочная диаграмма для чистового точения приведена на рис. 3.4.2.3.

Рис. 3.4.2.3 Нагрузочная диаграмма чистового точения

Все данные расчетов сведены в табл. 3.4.2.1.

Таблица 3.4.2.1 Результаты расчета нагрузочной диаграммы

Интервал	М, Нм	Интервал	М, Нм
t1	2,78	t11	2,78
t2	0,13	t12	0,13
t3	9,6	t13	0,3
t4	0,13	t14	0,13
t5	-2,52	t15	-2,52
t6	0	t16	0
t7	-2,78	t17	-2,78
t8	-0,13	t18	-0,13
t9	2,51	t19	2,52
t10	0	t20	0

Полная тахограмма и нагрузочная диаграмма приведена на рис. 3.4.2.4.

Рис. 3.4.2.4 Тахограммма и нагрузочная диаграмма

3.4.3 Проверка работоспособности электропривода

Предварительная проверка работоспособности электропривода привода продольной подачи производится на основании нагрузочной диаграммы. Будем считать, что механическая часть имеет прочную структуру. Слабым звеном будем считать двигатель.

Для проверки работоспособности электропривода по условиям нагревания двигателя следует использовать один из методов эквивалентных величин.

При расчете электропривода, работающего в повторно-кратковременном режиме (S3), эквивалентный за время работы момент, определенный на основе нагрузочной диаграммы, следует сопоставить с номинальным для данного двигателя моментом при той же продолжительности включения.

Если двигатель работоспособен, то энергетическая часть устойчива.

Работоспособность по перегрузке:

,

,

0.56<1.3.

Проверку работоспособности электропривода проведем методом эквивалентного момента. В данном случае М?I.

,

где б_i - коэффициент теплоотдачи для каждого участка тахограммы, t_i - временной интервал тахограммы.

Для самовентилируемых двигателей коэффициент б_i, учитывающий изменение условий охлаждения двигателя при изменении скорости вращения его вала, следует определять следующим образом:

1. б_i=1, если щ_i=щ_н;

2. , если скорость двигателя изменяется и щ_max<щ_н;

3. , если скорость двигателя постоянна и щ_max<щ_н.

В приведенном алгоритме щ_max соответствует максимальному значению скорости вращения достигаемой на i-м участке.

Коэффициент ₀ характеризует условия охлаждения для неподвижного двигателя. Для двигателей закрытого исполнения можно принять ₀=0,5.

По условию 3 определим значение _i для установившихся режимов

;

.

Для ускоренных перемещений _i=1, так как двигатель работает со скоростью выше номинальной

.

При щ=0 принимают _i=0.5

.

Для переходного процесса принимают среднее значение б между началом и концом переходного процесса

; ; .

Для удобства расчета все расчетные параметры сводим в табл. 3.4.3.1.

Таблица 3.4.3.1 Результаты расчета коэффициента теплоотдачи

Интервал	i	Интервал	i
t1	0.62	t11	0.51
t2	0.737	t12	0.512
t3	0.737	t13	0.512
t4	0.737	t14	0.512
t5	0.62	t15	0.51
t6	0.5	t16	0.5
t7	0.75	t17	0.75
t8	1	t18	1
t9	0.75	t19	0.75
t10	0.5	t20	0.5

Тогда получим

Нм.

Так как двигатель работает в повторно-кратковременном режиме, то необходимо привести его к режиму S1.

Определим продолжительность включения, как отношение время работы Т_р ко времени цикла Т_ц

,

.

Так как реальная продолжительность включения не совпадает со стандартной продолжительностью включения эквивалентный момент пересчитывается по формуле

,

где е_ст=0,6 - стандартная продолжительность включения.

Нм.

Номинальный момент двигателя больше эквивалентного, следовательно выбранный двигатель по условиям нагревания работоспособен.

3.5 Выбор способа подвода электропитания

Потребителями электроэнергии на участке являются небольшие по мощности металлообрабатывающие станки. Все приемники рассчитаны на трехфазный переменный ток и напряжение 380 В промышленной частоты, устанавливаются стационарно и по площади распределены равномерно. Для приема и распределения электроэнергии к группам потребителей применяют силовые распределительные шкафы и пункты (РП). Сеть от КТП №53 до РП-18А выполненная по радиальной схеме кабелем, уложенным в изоляционных трубах в полу.

Для цехов с нормальными условиями окружающей среды изготовляют шкафы серий СП-62 защищенного исполнения, а для пыльных и влажных шкафы серий СПУ-62. Шкафы имеют на вводе рубильник, а на выводах предохранители типа ПН2 или НПН2. Номинальные токи шкафов СП-62 составляют 250 А, а шкафов СПУ-62 175 А.

Силовые пункты и шкафы выбирают с учётом окружающей среды, числа подключаемых приемников электроэнергии к силовому пункту и их расчётной нагрузки (расчётный ток группы приёмников, подключаемых к силовому пункту, должен быть не больше номинального тока пункта I_расч ? I_ном). В качестве распределительного шкафа (пункта) используется шкаф силовой распределительный СПУ-62 изображенном на рис. 3.5.1. с вводным рубильником и предохранителями на 8 присоединений к электроприемникам. Для размыкания контактов рубильника и снятия напряжения со всех предохранителей предусмотрена рукоятка 7, выведенная наружу. Шины 1, 3, 4 соединены с рубильником 6 и предохранителями 8. К зажимам 9 предохранителей подсоединяются провода групповых щитов или электрических приемников.

Рис 3.5.1. Силовой распределительный шкаф СПУ-62: а - общий вид; б - схема электрическая

Технические параметры приведены в табл. 3.5.1

Таблица 3.5.1

Наименование	Значение
Номинальное напряжение, В:	380
Частота, Гц	50
Номинальный ток,А	400
Вводного рубильника	100
Количество отходящих линий	8

Расположение силовых пунктов (РП) и трасс кабельных линий приводится на рис. 3.5.2.

Рис. 3.5.2. План расположения электрооборудования инструментального отделения

3.6 Расчет сечения питающих линий. Проверка на нагрев и просадку напряжения

Исходными данными для проведения расчетов являются схема цеховой электрической сети с расположением аппаратов защиты, U_н сети, расчетные получасовые максимумы нагрузки каждого участка сети Р_мах пиковые (пусковые) токи на различных уровнях схемы, номинальные мощности ЭП. Выбор сечения проводника связан с выбором аппаратов зашиты, поэтому выбор сечения проводника цеховой сети и защитных аппаратов выполняется совместно. Для сетей напряжением до 1 кВ определяющим в выборе сечения проводника являются не экономические, а технические требования и условия: нагрев проводников, их механическая прочность, потери напряжения, термическая устойчивость к токам КЗ.

Согласно рекомендаций ПУЭ расчету по экономической плотности тока не подлежат силовые сети до 1 кВ при числе часов использования максимума нагрузки (Т_м) менее 4000-5000 часов и все осветительные сети.

В связи с многообразием режимов работы ЭП (по Т_м), совместным питанием силовой и осветительной нагрузок в проектной практике при расчете цеховых сетей напряжением до 1 кВ любого назначения фактор экономической плотности тока, как правило, не учитывается [8]. Практически по экономической плотности тока рассчитываются лишь сети постоянного тока в электролизных установках, для которых Т_м>8000 часов. Практика показала, что выбранные по экономической плотности тока сечения проводников в сетях напряжением до 1 кВ в 2-3 раза превышают расчетные сечения по техническим условиям.

Выбор сечений проводников по техническим условиям включает:

– выбор по условиям теплового нагрева;

– по их пропускной способности и условиям зашиты;

– потерям напряжения;

– термической стойкости к токам КЗ;

– механической прочности.

На механическую прочность проверяются голые провода и принимаются сечения из условий механической прочности для алюминиевых проводов S > 35 мм² и стальных S> 25 мм². Сечение проводника в основном зависит от величины расчетного тока (I_р), от того, требуется ли защищать сеть от перегрузки или нет, от температурных условий окружающей среды, характера помещения и типа изоляции проводника. Прежде необходимо выбрать марку проводника, определиться с условиями его прокладки и затем выполнять расчет.

Сечение проводников цеховой сети выбирается по расчетному току нагрузки таким образом, чтобы проводники при токах нагрузки, соответствующих работе в длительном режиме и условиям нормированной для них температуры среды, не перегревались бы сверх допустимых пределов.

За расчетный ток нагрузки принимается максимальная токовая нагрузка за получасовой интервал времени I_m вычисленная по

, А. (3.6.1)

Выбор сечения проводников производится по таблицам ПУЭ «Длительно допустимые нагрузки», при этом должно быть выполнено условие, когда

,(3.6.2)

где I_доп длительно допустимый ток нагрузки на провода, кабели и шины для данного сечения по ПУЭ.

При прокладке нескольких кабелей и более четырех проводов в одной трубе, траншее, лотке, коробе и т.п. в расчетную формулу (4.1) вводится коэффициент К_прокл поправочный коэффициент на условия прокладки проводов и кабелей

.(3.6.3)

При нормальных условиях (на открытом воздухе, один кабель) К_прокл = 1,0; в остальных случаях его значение определяется по табл. 1.3.3 [10]. Например, К_прокл = 0.68 для 5-6 проводов в одной трубе. К_прокл = 0.63 для 7-9 проводов.

Согласно ПУЭ для силовых сетей отклонение напряжения от номинального должно составлять не более ± 5% U_н. Для осветительных сетей промышленных предприятий и общественных зданий допускается отклонение напряжения от +5 до -2,5% U_н, для сетей жилых зданий и наружного освещения ±5% U_н. Эти требования обусловлены тем, что величина вращающего момента асинхронных электродвигателей пропорциональна квадрату подведенного напряжения и его уменьшение может не обеспечить пуск механизмов, в сетях освещения снижение напряжения приводит к резкому уменьшению светового потока.

Потеря напряжения в сети определяется по формуле, %,

,(3.6.4)

где I_р - расчётный ток линии на данном участке, А; L - расстояние от точки питания до точки приложения равнодействующей нагрузки, км; r_о, x_о - активное и индуктивное сопротивление 1 км линии /1/, Ом/км; cos - коэффициент мощности данного участка, о.е.; U_л - линейное напряжение, равное 380 В. Активное сопротивление проводов и кабелей определяется по справочной литературе или из выражения

,(3.6.5)

где г [м/Ом мм²] удельная проводимость (для алюминия г = 30, для меди г = 50); s сечение фазы проводника [мм²].

Расчётную максимальную токовую нагрузку линии питающей РП-18А определяем по установленной (номинальной) мощности станка Р_уст, которую с некоторыми допущениями можно принять равной сумме номинальных мощностей двигателей станка.

От данного РП запитано 6 станков, наименование и мощность указана в табл. 3.6.1.

Таблица 3.6.1

Наименование ЭО	Руст, кВт
Токарно-винторезный станок с ЧПУ мод.16А20Ф3	16
Токарно-винторезный станок мод.16К20	11
Токарно-винторезный станок с ЧПУ мод.16А20Ф3	24
Токарно-винторезный станок мод. 1М65	31
Токарный универсальный станок мод. ТNА- 400 «ТRAUB»	30
Итого	112

Расчетный ток линии питающей РП-18А найдем по формуле (3.6.1)

.

Ориентируемся на применение одножильных медных проводов с резиновой изоляцией; прокладка в трубе. По табл. 4.1 [7] принимаем сечение 70 мм²; допустимая токовая нагрузка при прокладке трёх одножильных проводов в одной трубе I_доп = 210 А. Для питания РП принимается марка провода ПРТО 3(1*70), рекомендуемая для прокладки в несгораемых трубах.

Для выбранного провода по (3.6.2)

. Условие выполняется.

Далее определяются sin нагрузки данной КЛ,

.

По [7] провод с медными жилами имеет следующие значения: r₀ = 0,265 Ом/км, x₀ = 0,082 Ом/км.

Потеря напряжения в линии, %,

%

Значит потеря напряжения, в проводе не превышает допустимого значения 5%.

3.6.1 Расчёт и выбор сечений и типа питающего кабеля станок

Расчётную максимальную токовую нагрузку определяем по установленной (номинальной) мощности станка Р_уст, которую с некоторыми допущениями можно принять равной сумме номинальных мощностей двигателей станка Р_уст = 24 кВт.

Расчетный ток линии питающей станок

Для питания по табл. 4.1 [7] для прокладки принимается провода с медной жилой марки АПВ 4 (1*16) проложенные в одной трубе I_доп = 46А, в оплётке из хлопчатобумажной ткани.

Для выбранного провода

Условие выполняется.

По [7] провод с медными жилами имеет следующие значения: r₀ = 0,37 Ом/км, x₀ = 0,0625 Ом/км. Потеря напряжения в линии, %

 %

Значит потеря напряжения, в проводе не превышает допустимого значения 5%.

Для проводов предусматриваем скрытую прокладку в изоляционных трубах в полу. Диаметр труб D выбираем по формуле

,

где d₁, d₂,….d_n, наружные диаметры проводов; п₁, п₂ ..., п_п число проводов и кабелей данного диаметра.

Выбранные кабели и провода, питающие РП-18А и электрооборудование указаны в табл. 3.6.2.

Таблица 3.6.2

Наименование электрооборудования	Pн, кВт	Cosцн	Iр, А	Iдоп, А	S, мм2	Длина, м	Внутренний диаметр трубы, мм
Токарно-винторезный станок с ЧПУ м.16А20Ф3 №2	24	0,8	41,9	46	АПВ 4 (1*16)	6	40
РП № 18А	112	0,89	191,4	210	ПРТО 3(1*70)	8	80

Схема однолинейная питающих проводов электрооборудование от РП-18А изображена на рис. 3.6.1.



Рис. 3.6.1.1. Схема оборудования присоединенного к РП-18А

3.7 Выбор распределительного, коммутационного и защитного электрооборудования

Выбор сечений проводов распределительной сети

При выборе вида электропроводки и способа прокладки проводов и кабелей должны учитываться требования электробезопасности и пожарной безопасности. Сечение проводов и кабелей цепей питания, управления, сигнализации, измерения и т.п. должны выбираться из условия допустимого их нагрева электрическим током [10].

Условия нагрева проводов длительным расчетным током имеет вид

I_{длит. доп} ? I_расч,(3.7.1)

а условие соответствия выбранному аппарату защиты

I_{длит. доп}. ? К_з•I_з,(3.7.2)

где I_{длит.доп} - допустимый длительный ток для провода или кабеля при нормальных условиях прокладки, определяемый по таблицам допустимых токовых нагрузок на провода и кабели; I_расч - длительный расчетный ток линии (суммируются все номинальные токи электроприемников, которые получают питание по данному проводу или кабелю); I_з- номинальный ток или ток срабатывания защитного аппарата; К_з - кратность допустимого длительного тока для провода или кабеля по отношению к номинальному току или току срабатывания защитного аппарата (согласно ПУЭ для провода, который защищен автоматическим выключателем К_з=1, а предохранителем К_з = 0,33).

При проектировании и модернизации электрооборудования для подвода электрической энергии в настоящее время применяются следующие установочные провода:

ПВ1 провод (П) с медной жилой, с поливинилхлоридной изоляцией (В). Провода изготавливаются сечением от 0,5 до 95 мм². Пример полной марки: ПВ 1х1,5. ПВ2 то же, но гибкий. Сечение от 2,0 до 70 мм². ПВ3 - повышенной гибкости. Изготавливается одножильным или двухжильным. Сечение одножильного от 0,5 до 95 мм². Двухжильный - сечение от 0,5 до 4 мм² каждой жилы. Примеры: ПВ3 1х2,5; ПВ3 2х2,5.

ППВ провод с медными жилами, с поливинилхлоридной изоляцией, плоский (вторая П), с разделительным основанием. Выпускается одножильным, сечение от 0,75 до 95 мм²; двухжильным и трехжильным сечением от 0,75 до 4 мм². Примеры: ППВ 1х1,5; ППВ 2х1,5; ППВ 3х1,5.