Оценка надёжности станков с программным управлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Широкое внедрение в машиностроение станков в программным управлением поставило задачу подготовки квалифицированного персонала, участвующего в создании, освоении и обслуживании этой сложной техники. В указанных процессах принимают участие конструкторы, технологи, программисты, наладчики станков, операторы, специалисты ремонтных служб. Следует подчеркнуть особую роль наладчиков. Освоение нового станка с программным управлением и настройка его на обработку детали требуют от наладчика широкого круга знаний в различных областях техники, Эрудиция наладчика в теоретических вопросах должна сочетаться с умением решать чиста практические задачи по настройке станка. Наладчик должен уметь выявлять недочеты в управляющих программах и корректировать их, добиваясь при минимальных затратах времени наилучших результатов по производительности, точности обработки и расходу режущих инструментов. Особая ответственность лежит на наладчике в тех случаях, когда возникают неисправности в работе станка. Наладчик должен в кратчайшие сроки отыскать причину неисправности и принять мера к ее устранению своими силами или с привлечением специалистов из соответствующих служб.

Наладчик должен уметь читать текст управляющей программы по перфоленте, хорошо разбираться в сопроводительной технологической документации, знать управление большинством моделей станков определенного типа, уметь пользоваться чертежами и схемами механических, гидравлических, электрических и электронных устройств, знать методы и приемы технического обслуживания, гарантирующие надежность станков.

Таким образом, от наладчика в значительной степени зависит производительность и качество обработки, а также надежность работы оборудования.

При изучении предмета «Эксплуатация и наладка станков с программным управлением» необходимо ознакомить учащихся колледжей с теоретическими вопросами и при прохождении ими практики и выполнении лабораторных работ дать возможность приобрести практические навыки по наладке станков с программным управлением. Широкий круг вопросов, которыми вынужден зажиматься наладчик, делают учебный предмет «Эксплуатация и наладка станков с программным управлением» взаимосвязанным с другими учебными дисциплинами. Учащихся вне изучения данного предмета знакомят с основами технологии машиностроения, теории резания и режущего инструмента, теории взаимозаменяемости, программирования обработки на станках с ЧПУ, конструкцией металлорежущих станков, расчетом деталей машин и механизмов станков, электроприводом станков и электроавтоматикой станков с ЧПУ. Некоторые предметы из перечисленных изучают до прохождения курса «Эксплуатация и наладка станков с программным управлением», некоторые одновременно с ним. Значительное место в курсе занимают расчеты механизмов, присущих станкам с ЧПУ; имеется в виду, что высокий уровень подготовки наладчиков должен предусматривать получение ими глубоких теоретических знаний.

Следует учитывать, что станки с программным управлением непрерывно совершенствуют в основном повышением уровня и расширением технических возможностей электронных устройств программного управления и электроавтоматики; существенно изменяются методы настройки станков с ЧПУ. В связи с указанным важно при освоении курса не только изучить конкретные приемы настройки того или иного станка (что может пригодиться в первые годы работы), но и освоить общие методы наладки, получить глубокие теоретические знания по конструкции и эксплуатации нового вида оборудования,

Работа на станках о ЧПУ переносит упор о проблемы «умения» на проблему «знания». Это приводит к повышению творческого начала в работе, делает ее интереснее.

Многие предприятия страны с помощью станков о ЧПУ решили некоторые сложные производственные, технические и экономические задачи и от внедрения отдельных станков перешли к комплексному перевооружению производства на базе этих станков. Повышение производительности труда, создание гибких переналаживаемых производств и в связи с этим сокращение затрат на освоение выпуска новых изделий, уменьшение объема дополнительных работ на сборке, улучшение качества, решение проблемы дефицита в станочниках, особенно при использовании промышленных роботов (безлюдная технология), сокращение производственных площадей, транспортных и контрольных операций, уменьшение расходов на проектирование, изготовление и эксплуатацию зажимных приспособлений, вспомогательной оснастки и режущих инструментов, повышение культуры производства и улучшение условий труда -- вот перечень тех положительных сторон, которые приводят к достижению экономической эффективности при эксплуатации станков с программным управлением.

1. Расчётно-техническая часть

1.1 Назначение станка, ЭСПУ и электропривода (без технических данных)

Устройство ЧПУ 2С42-65.

По виду обработки геометрической информации устройства называется контурно-позиционным со свободным программированием алгоритмов.

Количество управляемых осей - до восьми.

Устройство в зависимости от программоносителей и программного обеспечения обеспечивает одновременное управление:

- с линейной интерполяцией по 4-м осям;

-с круговой интерполяцией в одной координатной плоскости и с линейной - по перпендикулярной к ней оси координат.

Число ЦАП для связи с преобразователями перемещений - до восьми.

Устройство обеспечивает управление следящими приводами подач для станков, оснащенных ФЭП линейных перемещений или круговых перемещений отечественного производства:

преобразователями линейных перемещений ПЛП Н;

преобразователями угловых перемещений ПУП-18, ВТМ-1М, БС-155А.

Предел допустимой погрешности преобразования перемещений в цифровой код,

вносимый устройством, при использовании названных преобразователей должен быть равен половине основной погрешности применяемого преобразователя перемещений, определяемой его нормативно-технической документацией, но не менее 3 единиц дискретности.

Параметры выходных дискретных сигналов:

-коммутационный ток - не более 0,2А;

-коммутационное напряжение - не более 24В.

Устройство имеет оперативное ОЗУ для хранения УП констант, коррекций, плавающих нулей, от 18 до 48 кбайт, из них от 2 до 8 кбайт - ОЗУ с сохранением информации после отключения питания. Время хранения информации - не менее 120 часов. Распределение ОЗУ свободное в зависимости от программного обеспечения.

Условием сохранения информации и является включенное положение тумблера включения аккумуляторов или батарейного питания.

Устройство имеет перепрограммируемое постоянное перепрограммируемое устройство для хранения программного обеспечения емкостью не менее 48 кбайт, максимальная емкость ППЗУ 64 кбайт.

Имеется возможность расширения памяти УП на 16 кбайт с использованием КНМД.

Предельные значения:

-рабочих подач - до 15 мм/мин;

-рабочих подач при нарезании резьбы - до 10 мм/мин;

-ускоренных перемещений - до 15 мм/мин.

-диапазон допустимых ускорений при разгоне на рабочих подачах и ускоренных

перемещениях - от 166 мм/с до 2500 мм/с.

В устройстве предусмотрена возможность выноса пульта управления и пульта коррекции на станок. Длина соединительных кабелей выбирается из ряда 5, 10, 15, 20, 25, 30мм.

Устройство обеспечивает индикацию символьной информации ёмкостью 512 символов.

Привод главного движения типа КЕМРОС.

Тиристорный преобразователь типа КЕМРОС предназначен для главного привода для металлорежущих станков с ЧПУ.

Технические данные:

- напряжение питания Uпит 3~380 +10%

-15%

- частота напряжения питания - 50Гц+2%

- сигнал управления - аналоговый с 0 по +10В с пульсациями до 2%, входным сопротивлением 20кОм

- вывод напряжения питания для ручного управления +15В, 10мА

- конструктивное исполнение - нормальное

- защита - 1Р00

- напряжение питания якоря 400В

- ток питания якоря 100А

- ток питания возбуждения 10А

- напряжение питания возбуждения 180В

- масса 30кг

Привод подач типа КЕМРОН.

Однокоординатный шестиимпульсный тиристорный преобразователь типа КЕМРОН с высокомоментным двигателем постоянного тока предназначен для электропривода металлорежущих машин с ЧПУ.

Технические данные:

- номинальный выпрямленный ток 40А

- максимальный выпрямленный ток 250А

- номинальное напряжение питания 6~205(210)

- допустимое отклонение напряжения питания от -15 до +10В

- частота питающей сети 50Гц+2%

- управляющее напряжение +10В

- режим работы продолжительный

- степень защиты 1Р

- номинальный момент вращения двигателя 17 и 23

- максимальная скорость вращения 1500мин-1

1.2 Взаимодействие заданного субблока со станком

Постоянное перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ) предназначено для хранения и выдачи в ЦП постоянной информации (микропрограмм, табличных данных и т. д.)

Объем хранимой информации 48 кбайт. Для обеспечения этого объёма в состав устройства входит три субблока SB-978(3.082.978)

Базовым элементом ППЗУ является микросхема К573РФ2- Матрица-накопитель емкостью 2 к байта с электрическим программированием и стиранием информации ультрофиолетовым излучением.

Субблок работает в режимах чтения и записи информации. Связь субблока с ЦП осуществляется через канал обмена информацией. Интерфейс включает в себя микросхемы D1-D6, D15.

В адресной части любого цикла в интерфейс ППЗУ поступает 16-ти разрядное адресное слово. До прихода «К ВВОД Н» на управляющих входах микросхемы D1-D4 стоит высокий уровень и микросхемы осуществляют прием из канала сигналов «К ДА I5 Н». Старшие разряды адреса А19, А18, А15-А13 поступают на селектор адреса( Микросхемы D10, D20, D7.4, D15.3, D9.2, D9.3). Адресная установка конкретного банка или страницы производится с помощью перемычек. На субблоке могут быть набраны два номера банка (Страницы)- нечётный и чётный или единица. Наличие низкого уровня на выходе микросхемы D9.3 означает обращение к данному субблоку. Сигнал обращения поступает на вход триггера D11.2, запоминается по переднему фронту сигнала «К СИА Н» при условии отсутствия сигнала «КРГНН» и разрешает прохождение сигналов «К ВВОД Н» и «К ВЫВОД Н».

Для получения 16-ти разрядного слова микросхемы ППЗУ (D22,D23,D25,D26,D28-D31) объединены в четыре группы по две микросхемы. Выбор группы микросхем происходит на дешифраторе D17.

Разряды адреса А13-А11 ИЛИ А19, А12, А11 по сигналу «ВВОД Н» с выхода микросхемы D8.1 формируют сигналы «Выбор кристалла». Разряды адреса А11-А01 запоминаются по «СИА Н» в регистре адреса (триггеры D11.1, D12-D14) и поступают на адресные входы микросхем ППЗУ.

По приходу сигнала «К ВВОД Н» означающего готовность ЦП принять запрашиваемую информацию, на управляющих входах микросхем D1-D4 появляется низкий уровень. В результате последние начинают выполнять функции передатчиков, информация с выходов микросхем ППЗУ выдаётся в канал. Одновременно с выхода микросхемы D15.2 выдаётся сигнал «К СИН Н», свидетельствующий о том, что запрашиваемые данные находятся в канале. Таким образом осуществляется считывание в цикл «ВВОД»

Информацию в микросхемах типа К573РФ2 можно изменить не более ста раз. Запись информации в ППЗУ осуществляется в цикле «ВВОД». После приёма адресного слова в случае обращения к данному субблоку по «К ВЫВОД Н» запускается схема задержки ( одновибраторы D18, D19), а триггер D16 устанавливается в инверсное состояние. По сигналу со схему задержки ( выход 12 микросхемы D19.2) дешифратор D17 формирует сигнал «ЗАПИСЬ» на группу микросхем ППЗУ, определяемую адресами А13-А11 или А19, А12, А11. Сигналами о выходов триггера D16 в регистре адреса удерживается адрес записываемой ячейки памяти, в регистре данных (микросхемы D24, D27) - записываемая информация, а также блокируется дешифрация адреса, поступающего из канала, до окончания записи информации, т. е. субблок на время записи не отвечает на свои адреса. Затем сигналом о выходе 5 микросхемы D18.2 триггер D16 устанавливается в состояние, соответствующего готовности субблок для дальнейшей работы.

При записи информации на вывод 21 микросхем ППЗУ подаётся +24V.

1.3 Требования, предъявляемые к электрооборудованию и электроприводу заданного станка.

ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЮ

К электрооборудованию управления станками с ЭСПУ относят аппаратуру автоматического управления (путевые выключатели, кнопки управления, переключатели управления, магнитные пускатели и др.), аппаратуру защиты (автоматические выключатели, плавкие предохранители, тепловое реле), аппаратуру питания и сигнализации (пакетные переключатели, универсальные переключатели и др.).

Электрические схемы управления электрооборудованием станков с ЭСПУ различаются сложностью и типами коммутационных устройств и контрольной аппаратурой. Для обеспечения рациональной эксплуатации осуществляют комплексную наладку электрооборудования, под которой понимают комплекс работ по приведению в действие всех элементов электрооборудования, обеспечивающих обработку деталей на станке с ЭСПУ. При наладочных работах проверяют электрические параметры цепей коммутационной аппаратуры и других элементов устройств по паспортным данным.

Контактные устройства управления, несмотря на простоту, не всегда удовлетворяют требованиям эксплуатации станков с ЭСПУ. В станках с ЭСПУ все чаще применяют бесконтактные и

полупроводниковые элементы и микросхемы.

Переключатель (выключатель) - устройство, срабатывающее под действием определенной механической силы, и используемое для коммутации электрических цепей или сигнализации (отключения, ограничения) на номинальное напряжение до 380 В переменного тока и до 220 В постоянного тока или для коммутации слаботочных цепей до 60 В переменного и постоянного тока.

Основные требования к переключателям: 1) высокая надежность (долговечность); 2) стабильность электрических и механических характеристик; 3) малое переходное сопротивление замкнутых контактов; 4) малое усилие переключения.

На станках с ЭСПУ перемещение рабочих органов по каждой координате осуществляется от отдельного привода. Число этих приводов на одном станке определяется видом и количеством движений рабочих органов. На сложных станках это число достигает пяти - семи приводов.

Общими требованиями для приводов являются следующие: 1) регулирование подач в широком диапазоне частот вращения; 2) обеспечение постоянного крутящего момента на рабочих подачах; 3) высокая стабильность поддержания установленой скорости резания; 4) высокая точность перемещения рабочего органа станка в широком диапазоне скоростей и в соответствии с заданной программой.

Отношение максимальной скорости подачи к минимальной для приводов станков с ЭСПУ: для расточных, фрезерных и токарных - 1000; координатно-расточных и многоцелевых - 2000...3000.

Максимальная скорость подачи необходима на вспомогательных ходах, когда требуется быстрый подход рабочего органа в заданное положение. В механизмах подач на станках с ЭСПУ применяют электромеханический, электрический, шаговый и электрогидравлический приводы.

Требования к приводам подач. 1. Возможность дистанционного управления по командам ЭСПУ.

2. Расширенный диапазон регулирования скоростей подач, обусловленный, с одной стороны, высокими значениями ускоренных перемещений рабочих органов, а с другой - необходимостью осуществления малых, так называемых ползучих подач для более точного автоматического позиционирования.

3. Более высокая жесткость механической характеристики, необходимая для обеспечения бесскачкового перемещения на малых подачах.

4. Повышенная плавность перемещения рабочих органов.

5. Повышенная долговечность, обусловленная более интенсивной работой подвижных элементов привода.

6. Малая инерционность привода для станков, оснащенных контурным или универсальным устройством ЭСПУ.

Электроприводы оснащаются устройствами защиты, которые должны обеспечивать отключение преобразователей электроприводов от сети, а также защиту двигателя и других элементов от перегрузок при аварийных режимах.

ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ СТАНКА

Требования к электроприводам определяются технологией обработки, конструктивными особенностями станка, режущим инструментом, функциональными возможностями системы ЭСПУ.

Основные технологические требования заключаются в обеспечении: необходимых технологических режимов обработки с использованием современного режущего инструмента; максимальной производительности; требуемой точности обработки; высокой чистоты обрабатываемой поверхности (снижение шероховатости); повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии (стабильности).

При всем многообразии станков требования, предъявляемые к приводам станков, определяются, главным образом, не тем, к какой группе относится станок, а для какого движения предназначен привод: главного движения, подачи или вспомогательного, так как именно это определяет мощность и момент, способ регулирования скорости, диапазоны регулирования, необходимую плавность регулирования, требования к динамическим характеристикам, к жесткости механических характеристик и стабильности скорости.

Расширение технологических возможностей станков обеспечило возможность проведения на одном станке различных технологических режимов: фрезерование, сверление и растачивание или точение, сверление и растачивание и т.д., а освоение нового твердосплавного и керамического инструмента существенно повысило режимы обработки.

Расширение технологических режимов обработки на одном станке, с использованием современного режущего инструмента, привело к усложнению установленных электроприводов, увеличению установленной мощности двигателя главного движения, вращающих моментов двигателей подач, расширению диапазонов регулирования скорости главного привода, рабочих подач и установочных перемещений, увеличению быстродействия всех приводов при управляющем и возмущающем воздействиях, ужесточению требований к стабильности и равномерности вращения электродвигателей всех приводов.

Требование повышения производительности также привело к увеличению мощности и максимальной скорости привода главного движения; к увеличению скорости быстрого хода приводов подач; увеличению максимальных рабочих подач; снижению времен разгона и торможения, позиционирования приводов подач и вспомогательных перемещений и ориентации шпинделя.

Удовлетворение требованиям снижения шероховатости и повышения точности при обработке и позиционировании ужесточило требования к электроприводам по значению погрешностей в установившихся и переходных режимах при различных возмущающих воздействиях, по расширению диапазона регулирования и увеличению чувствительности электроприводов по входному воздействию и нагрузке, по повышению равномерности движения, особенно при малых скоростях, по увеличению быстродействия при возмущении по нагрузке и при реверсе под нагрузкой на малой скорости.

Для обеспечения повторяемости размеров деталей в обрабатываемой партии и высокой точности позиционирования необходимо иметь высокостабильный привод с высокой равномерностью перемещения и апериодическим переходным процессом при изменении скорости.

Очень важным требованием к электроприводам станков с ЭСПУ, особенно при их работе в автоматизированном производстве, является обеспечение их высокой надежности как относительно сохранения параметров, так и безаварийности и ремонтопригодности. Повышению надежности работы электроприводов в значительной степени способствуют наличие технологических запасов по параметрам отдельных электронных элементов и схемным решениям, корректный монтаж электрооборудования, своевременное проведение профилактических мероприятий и установка необходимой системы диагностики, позволяющей быстро определять и устранять неисправности.

Появление низкоскоростных высокомоментных двигателей умеренных габаритов позволило существенно сократить механическую часть коробки подач, а в ряде случаев полностью ее исключить, установив исполнительный двигатель непосредственно на ходовой винт.

Исключение коробки подач привело к повышению мощности механической передачи, повышению КПД и снижению момента инерции электромеханического привода. В станках возросла составляющая от резания в общей нагрузке приводов подач. В большинстве современных станков нагрузка на двигатель при рабочих подачах без резания составляет не более 20--30 % номинальной.

Рост составляющей от сил резания в общей нагрузке на привод подачи увеличил колебание нагрузки на электроприводе подачи при резании, что ужесточило требования к статической и динамической жесткости привода подачи.

Увеличение скорости быстрых перемещений и снижение скорости установочных перемещений привели к значительному увеличению диапазона регулирования. Максимальная рабочая подача современных многоцелевых станков составляет 30--50 % скорости быстрых перемещений.

Полный диапазон регулирования подач в станках фрезерной, расточной и токарной групп составляет 100 -10000, а в карусельных расширяется до 30000--40000. Теоретически диапазон регулирования привода подачи каждой оси в станках с ЭСПУ при контурном фрезеровании бесконечен (например, при обработке окружности). Реально минимальная подача ограничена чувствительностью электропривода.

Скорость быстрых перемещений зависит от характеристик механической части привода, возможностей системы ЭСПУ (в частности, от максимальной частоты сигнала управления приводом от системы ЭСПУ), дискретности управления, максимальной угловой скорости приводного электродвигателя, коэффициента редукции передачи от двигателя к механизму и других ограничений, вносимых системой ЭСПУ.

Минимальная скорость привода определяется технологическими требованиями, дискретностью управления и чувствительностью электропривода. Особо высокие требования предъявляются к динамическим характеристикам привода по управляющему и возмущающему воздействиям. Неудовлетворительные динамические свойства регулируемого электропривода, особенно при возмущении по нагрузке, являются причиной повышенной шероховатости поверхности, поэтому весьма важно обеспечить высокое быстродействие привода при сбросе и набросе нагрузки, а также реверсе двигателя под нагрузкой на самых малых скоростях.

Стабильность позиционирования и обработки в значительной степени зависит от стабильности электромеханической системы приводов подач, которая определяется стабильностью ее звеньев, и в первую очередь электропривода, датчика положения и системы ЭСПУ. Стабильность характеристик электропривода при достаточно большом коэффициенте усиления определяется стабильностью нуля входного усилителя регулятора и стабильностью датчика скорости -- тахогенератора. Наибольшая относительная нестабильность имеет место при малых скоростях, когда полезный сигнал соизмерим с дрейфом нуля усилителя и падением напряжения в щеточном контакте тахогенератора.

Другим фактором, влияющим на стабильность, а следовательно, и на идентичность параметров при обработке партии деталей, является характер переходного процесса по управляющему воздействию в замкнутых системах следящего и регулируемого электроприводов. При апериодическом переходном процессе при движении в одну сторону не происходит раскрытия люфтов в механических узлах, а также отсутствует влияние гистерезиса, что приводит к существенному повышению стабильности и точности позиционирования и обработки.

В соответствии с проведенным анализом сформулированы качественные требования к станочным электроприводам подач. Количественные оценки определены в гл. 2. Установка во всех станках сверхточных, сверхбыстродействующих и сверхстабильных электроприводов сопряжена со значительными техническими трудностями и необоснованно высокими экономическими затратами.

В станках с контурной и контурно-позиционной системами ЭСПУ (классы станков ФЗ и Ф4) в механизмах подач применяются следящие электроприводы (в станках выпуска 60-х годов применялись разомкнутые электроприводы с шаговыми двигателями или электрогидравлические приводы с шаговыми двигателями). В станках с позиционными системами ЭСПУ в механизмах подач (класс Ф2) могут применяться и следящие и регулируемые электроприводы без непрерывной обратной связи по положению. В станках с цифровой индикацией (класс Ф1), как правило, применяются регулируемые электроприводы без обратной связи по положению.

Однако для расширения диапазона регулирования в этих и других станках в механизмах подач возможна установка так называемых автономных электроприводов с датчиками положения, установленными непосредственно на двигателях, с введением в преобразователе устройств для обработки сигналов датчиков и замыкания системы по пути.

В механизмах главного движения в большинстве станков установлены регулируемые электроприводы без обратной связи по положению, в отдельных станках применяются специальные системы ориентации шпинделя либо от мощного двигателя главного привода, либо от специального маломощного двигателя со следящим приводом, аналогичным приводам подач. Очень небольшое количество станков имеет следящий электропривод главного движения от основного электродвигателя.

В настоящее время разработаны и согласованы между странами СЭВ единые технические требования к электроприводам глазного движения и подач станков с ЭСПУ.

1.4 Расчёт мощности и выбор двигателей главного движения и приводов подач

Основным требованием при выборе электродвигателя является его соответствие условиям технологического процесса рабочей машины. Задача выбора состоит в поиске такого двигателя, который обеспечивает заданный технологический цикл рабочей машины, соответствует условиям окружающей среды и компоновки с рабочей машиной и при этом имеет нормативный (допустимый) нагрев.

Выбор двигателя недостаточной мощности может привести к нарушению заданного цикла, снижению производительности рабочей машины. При этом будут иметь место также его повышенный нагрев, ускоренное старение изоляции и преждевременный выход двигателя из строя, что вызовет останов рабочей машины.

Недопустимым является также использование двигателей завышенной мощности, так как при этом не только повышается первоначальная стоимость ЭП, но и увеличиваются потери энергии за счет снижения КПД двигателя, а для асинхронного и вентильного ЭП, кроме того, снижается коэффициент мощности. Таким образом, обоснованный выбор электродвигателя является весьма важной задачей, во многом определяющим технико-экономические показатели работы комплекса «ЭП - рабочая машина».

Выбор электродвигателя производится обычно в такой последовательности: расчет мощности и предварительный выбор двигателя; проверка выбранного двигателя по условиям пуска, перегрузки и нагреву. Если выбранный двигатель удовлетворяет условиям проверки, то на этом выбор двигателя заканчивается. Если же двигатель не удовлетворяет условиям проверки, то выбирается другой двигатель (как правило, большей мощности) и проверка повторяется.

При выборе электродвигателя должно проверяться также его соответствие условиям пуска рабочей машины и возможных перегрузок.

Выбор серийных электродвигателей производится с учетом следующих показателей.

1. Род тока. Двигатель должен иметь род и величину напряжения, соответствующие сетям переменного или постоянного тока данного предприятия.

2. Значение скорости. Выбор номинальной скорости двигателя при уже имеющемся (выбранном) редукторе производится по заданной скорости исполнительного органа рабочей машины и передаточному числу редуктора. Для вновь проектируемого электропривода выбор номинальной скорости двигателя и передаточного числа редуктора (механической передачи) должен производиться путем технико-экономического сравнения нескольких вариантов. Особое внимание такому выбору следует уделить для электроприводов, работающих с частыми пусками, реверсами и остановами, так как правильный выбор номинальной скорости двигателя и передаточного числа редуктора позволяет во многих случаях повысить технико-экономические показатели работы электропривода и рабочей машины.

3. Конструктивное исполнение. Конструкция выбираемого двигателя должна соответствовать условиям его компоновки с исполнительным органом. Выпускаемые двигатели имеют разнообразное конструктивное исполнение по расположению валов и способам крепления на рабочей машине.

4. Способ вентиляции и защиты от действия окружающей среды. От правильного выбора двигателя для работы в определенных условиях окружающей среды зависят его долговечность, надежность и безопасность обслуживания. По способам защиты от действия окружающей среды различают открытые, защищенные и герметичные двигатели. Для работы в особых условиях окружающей среды--тропический климат, химически активные среды, повышенная влажность, взрывоопасная среда и т. д -- выпускаются специализированные двигатели.

По способу вентиляции различают двигатели с естественной вентиляцией, самовентиляцией и независимой (принудительной) вентиляцией.

Выбор электродвигателя в математическом отношении представляет собой задачу синтеза, в результате решения которой должен быть найден такой двигатель, который обеспечивает заданный технологический цикл рабочей машины, соответствует условиям окружающей среды и компоновки с рабочей машиной и при этом будет иметь нормативный нагрев.

Выбор электродвигателя производится обычно в следующей последовательности:

1) расчет мощности и предварительный выбор двигателя;

2) проверка выбранного двигателя по условиям пуска и перегрузки;

3) проверка выбранного двигателя по нагреву.

Если выбранный в п. I двигатель удовлетворяет условиям проверки по п. 2 и З, то на этом выбор двигателя заканчивается. Если же выбранный двигатель не удовлетворяет условиям п. 2 или 3, то выбирается другой двигатель (как правило, большей мощности) и проверка повторяется.

Следует отметить, что проверка двигателя по нагреву выполняется не только при выборе вновь проектируемого электропривода, но и для работающих двигателей для определения их загрузки и теплового режима.

Выбор двигателя по мощности для регулируемого но скорости электропривода имеет ту особенность, что в этом случае имеет место изменение нагрузки двигателя. В то же время для полного использования двигателя его мощность должна быть выбрана так, чтобы нагрузка при работе на любой скорости не превосходила допустимой по условиям нагрева. Достигается это выбором соответствующего способа регулирования скорости, при котором соблюдается данное условие. Рассмотрим решение этой задачи на основе конкретных примеров.

Напомним, что рассмотренные ранее способы регулирования скорости по условию допустимой нагрузки делятся на две основные группы. К первой из них, относятся способы, при использовании которых допустимой нагрузкой при всех скоростях является постоянный момент, равный номинальному (например, регулирование с помощью резисторов в роторе АД и якоре ДПТ, изменением напряжения на якоре ДПТ и статоре СД, в некоторых каскадных схемах). В силу этого их называют способами регулирования скорости при постоянном моменте.

Вторую группу составляют способы, при которых максимально допустимой является нагрузка постоянной мощностью, равной номинальной при всех скоростях, или, как говорят, способы регулирования при постоянной мощности. К таким способам относятся регулирование скорости уменьшением (ослаблением) магнитного потока ДПТ и с помощью некоторых каскадных схем и схем изменения числа полюсов АД.

Произведём расчёт привода главного движения, имеющего синхронный двигатель.

Частота вращения магнитного поля статора n1 зависит от числа пар полюсов обмотки статора p и частоты переменного тока f.

(1)

Поэтому ряд возможных синхронных частот вращения магнитного поля статора при частоте 50Гц может быть: 3000; 1500; 1000; 750; 600 и т.д. При частоте вращения ротора n2 = =950 из этого ряда выбираем ближайшую к ней частоту вращения поля n1 = 1000. В документации на станок указан максимальный момент на валу, равный в данном случае Мmax = =145Н·м.

Определим номинальный момент на валу двигателя:

(2)

где Kмс = 2,2.

Определим номинальную (потребляемую) мощность на валу двигателя из формулы:

(3)

По заданной потребляемой мощности на валу двигателя определим расчётную мощность электродвигателя:

(4)

где - КПД передачи. КПД передачи берётся из таблицы и для зубчато-конической или зубчато-цилиндрической равна 0,88…0,92.

Для данного станка выбираем электродвигатель МР132 с номинальной мощностью 7,5кВт и частотой вращения ротора 1450 , расшифруем его условное обозначение. Это двигатель четвёртой серии, асинхронный, корпус полностью чугунный, высота оси вращения 132мм; размеры корпуса по длине М (промежуточный), четырёх полюсный, для умеренного климата, третья категория размещения.

Расчет привода подач. Mc=const при всех скоростях. При таком характере нагрузки во всем диапазоне изменения скорости от минимальной щmin до максимальной щmax момент нагрузки постоянен (Mc=const), а мощность нагрузки Рс=Мсщ возрастает при увеличении скорости по линейному закону. Оценим мощность выбираемого электродвигателя, ориентируясь на требуемые моменты на валу и скорости вращения. Двигатель должен обеспечивать момент равный 23Нм, и частоту вращения n=700мин?З

Регулирование скорости при постоянном моменте. Этот способ обеспечивает регулирование скорости вниз от номинальной. Поэтому номинальная скорость двигателя соответствует максимальной в заданном диапазоне, т. е. щном.д=щmaxс. Номинальный момент двигателя должен быть принят равным моменту нагрузки, т.е Мном=Мс и номинальная мощность выбираемого двигателя должна быть равна

(6)

Произведем расчет номинальной мощности двигателя привода подач:

Р=23Нм*750мин?З /9,55=3613Вт=1,8кВт. (7)

Как видно номинальная мощность двигателя равна максимально возможной мощности станка и при этом на всех скоростях двигатель загружен полностью и работает в нормальном тепловом режиме. Очевидно, что выбранный для данного характера нагрузки способ регулирования скорости при постоянном моменте является рациональным, оправданным.

Из таблицы выбираем подходящий по показателям двигатель.

Таблица 1

По параметрам для данного станка подходит двигатель 4МТА.

По характеристикам двигателя, можно произвести проверку двигателя по нагреву. Двигатель обеспечивает момент 23Нм, при частоте вращения 700мин?З (механическая характеристика), и способен длительное время работать в установившемся температурном режиме, не превышая допустимой температуры.

Для проверки двигателя по перегрузочной способности сопоставляется максимально допустимый момент двигателя с максимальным моментом сопротивления станка.

Мmax>Мс

Данное условие выполняется, следовательно, двигатель обеспечит ускорение на участке разгона.

1.5 Назначение и устройства электроавтоматики заданного станка

Электроавтоматика станка предназначена для привода агрегатов и механизмов, автоматического управления ими, контроля состояния, технической диагностики и сигнализации. От четкости работы электроавтоматики зависит производительность и надежность станка.

На рисунке 1. приведена функциональная схема электроатоматики станка с ЭСПУ. В состав электрооборудования входят электроприводы главного движения 1, подач 2, вспомогательный для создания вращающего и поступательного движения механизмов, датчики технологических параметров 4 и обратной связи 5 электропривода, преобразующие параметры электроприводов и пропорциональные им электрические сигналы.

Электроавтоматика станка может выполняться либо релейно-контакторной, либо (с целью повышения надежности и расширения функциональных возможностей) с помощью бесконтактных устройств и элементов на базе программируемого контроллера.

Коммутирующая аппаратура (контакторы, магнитные пускатели) обеспечивает автоматическое включение и отключение силовых цепей электроприводов в зависимости от программы управления

Для управления станками в различных режимах и контроля состояния их механизмов служат пульт управления установленные в УЧПУ. В зависимости от назначения все электрические элементы, входят в состав электроавтоматики станка, подразделяются на командные (кнопки, путевые выключатели, датчики и др.), логические (реле, логические элементы, программируемые контроллеры и др.), исполнительные (контакторы, электрические магниты и муфты, исполнительные двигатели), источники питания и преобразователи напряжений, защитные (предохранители, автоматические выключатели, тепловые реле).

Эти электрические элементы характеризуются родом питающего тока, типом управляющих цепей, наличием или отсутствием подвижных частей.

Устройства диагностики и контроля 8 служат для контроля и индикации основных рабочих режимов, а также для защиты станка в аварийном режиме.

Электроавтоматика станка оснащена бесконтактными элементами управления и содержит большое количество релейно-контакторной аппаратуры. К их числу относится автоматические выключатели (автоматы) для защиты электрических цепей от токов короткого замыкания, тепловые и температурные реле для защиты от перегрузок, контакторы и магнитные пускатели для дистанционного управления двигателями, а также контактные путевые выключатели, применяемые для контроля передвижения рабочих органов станков.

1.6 Расчёт мощности, потребляемой заданным сублоком ЭСПУ

Мощность субблока зависит от количества элементов, потребляющих энергию. В субблоке SB-978 большая часть энергии потребляется цифровыми микросхемами. Потребляемая мощность рассчитывается по формуле:

P=I*U

где I - потребляемый ток, U - напряжение питания. Потребляемый ток приводится в справочниках микросхем, а напряжение питания для всех микросхем данного субблока=5В.

Мощность, потребляемая резисторами определяется по формуле:

Р=U²/R

где R - сопротивление резистора.

Мощность, выделяемая на диодах мала, так что ей можно пренебречь.

Так же мощность потребляемая на резисторах очень мала, мы также можем пренебречь и ей.

Таблица 2 - Расчёт мощности субблока SB-978.

Наименование микросхемы	Количество	Iпот.мА	Uпит. В	Pпот. мВт
К155АГ1	1	66	5	330
К155ЛА3	6	22	5	660
К155ЛЕ1	1	33	5	165
К155ИЕ7	1	60	5	300
К155ТМ2	2	20	5	200
К155ЛН1	2	48	5	480
К155ЛИ1	6	33	5	990
К537РФ2	8	40	4,5	300
				12695
Итоговая мощность микросхем (субблока)		12,695

1.7 Расчёт надёжности заданного субблока ЭСПУ с использованием прикладной программы на ПЭВМ

Станки с программным управлением в связи с их значительной стоимостью экономичны только при интенсивном использовании во времени (двухсменном, а иногда и трехсменном) и при эксплуатации без простоев. Станки работают в напряженном режиме, так как на них выполняют разнородные работы как чистовые, так и черновые. Возрастают требования к сохранению станками требуемой точности в течение всего периода эксплуатации.

Свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования, называют надежностью. В свою очередь, надежность характеризуется безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью.

Безотказность -- свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки, Долговечность -- свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

Безотказность и долговечность -- свойства изделия сохранять работоспособность, различие между ними заключается в том, что безотказность охватывает ограниченное время, а долговечность распространяется на ресурс работы объекта с возможными перерывами на ремонт.

Основными показателями надежности, и в то же время безотказности, может быть принята вероятность безотказной работы Pн в пределах заданного периода времени. Например, если вероятность безотказной работы станка Рн=97 в течение 1000 ч, то это значит, что 97 % за то, что в течение 1000 ч станок будет работать безотказно. Значение Рн имеет смысл лишь при указании периода времени, в течение которого должно выполняться условие безотказности работы машины.

Свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонта и технического обслуживания называют ремонтопригодностью.

Конструкция станка, технология его изготовления и методы эксплуатации определяют надежность станка в целом и все три ее основные части; безотказность, долговечность и ремонтопригодность. Для станков с ЧПУ особенно актуальны проблемы безотказности и ремонтопригодности. Это связано с большой сложностью конструкции, значительным количеством элементов, взаимодействием разнородных устройств и механизмов.

Под надежностью понимают совокупность свойств изделия, определяющих степень его пригодности для использования по назначению и связанных с возможностью появления неисправностей при его эксплуатации Нарушение работоспособности станка или его элемента называется отказом. К определению отказа следует подходить на основе анализа методов обслуживания и эксплуатации, применяемых для станков данного типа. Кратковременные вмешательства в технологический процесс и подналадку станка, которые регламентированы системой обслуживания (подналадка и замена инструмента, регулирование отдельных механизмов) и связаны с недостаточной степенью совершенства станка, не следует считать отказами станка. Профилактические работы для многих современных станков включены в нормативы технологического и межремонтного обслуживания и не являются отказами, нарушающими нормальную работу станка. Чем выше степень совершенства станка, тем меньше профилактических нарушений работы оборудования. Признаки (критерии) отказов рекомендуется отражать в технических условиях и паспорте на станок.

Сущность эксплуатационной оценки надежности состоит в том, что на основании статистических данных об отказах по разработанным методам производится определение физически возможного значения надежности с заданной достоверностью и точностью. Для того чтобы определить характеристики надежности станков и систем ЧПУ по статистическим данным необходимо сделать ряд предположений:

1) плотность вероятности времени между отказами имеет экспоненциальную зависимость;

2) восстановление работоспособности системы и станка осуществляется обслуживающим персоналом ручным способом;

3) период «приработки» станков с системами ЧПУ прошел и наступил период нормальной эксплуатации.

Экспериментальное определение характеристик надежности и обработка статистических данных в этом случае значительно упрощаются.

Удобным для практики критерием надежности восстанавливаемых систем является среднее число часов работы между двумя соседними отказами, взятыми за определенный промежуток времени эксплуатации, обычно называемое наработкой на отказ. Расчёт надёжности заданного субблока приведен в таблице 3.

Таблица 3 - Расчёт надёжности субблока SB-978

Расчет надежности устройства, состоящего из N элементов 3 типов
Тип элемента Кол-во элементов в устройстве, n Интенсивность отказов элементов этого типа, ?э, 1/ч Субблок SB-978 Интегральная микросхема, цифровая (сл) 34 0,0000003 Конденсатор электролитический, танталовый 53 0,0000004 Диод 7 0,00000005 Итоговая интенсивность отказов изделия ? 1/ч Период, для которого необходимо рассчитать вероятность безотказной работы t ч Вероятность безотказной работы в течение указанного периода Средняя наработка до первого отказа ч (с различной интенсивностью отказов)

1.9 Проанализировать и описать работу датчиков

В станок 2C150ПМФ4 входит следующий датчик ВЕ178АZ-250. Преобразователь угловых перемещений фотоэлектрический модели ВЕ178АZ-250 предназначен для использования в системах автоматического регулирования станков и для информационной связи по положению между исполнительными механизмами станка с устройствами числового программного управления, а также в системах автоматического или автоматизированного контроля, регулирования и управления других областей техники.

Работа преобразователя ВЕ-178AZ-250 (измерение перемещения рабочего органа) основана на принципе считывание штрихов шкалы линейки. На линейке нанесены деления - штрихи, расстояние между которыми равно их ширине.

Рисунок. Преобразователи ВЕ-178 и ВЕ-178-1

Конструктивно штрихи и зазоры выполнены так, что имеют различную светопроницаемость. Проходящие световые лучи попадают в отверстие растровой линейки и после усиления оптической системой улавливаются фотодиодами, в которых световой поток преобразуется в электрический сигнал. Поскольку отверстия растровой линейки для каждой пары фотодиодов смещены на ? периода (соответствует электрическим 90°), электрические выходные сигналы при взаимном перемещении линеек сдвинуты по фазе на соответствующую величину. Синусоидальные сигналы преобразуются в прямоугольные, и оцениваются их передние и задние фронты. Оценка последовательности передних фронтов импульсов даёт информацию о направлении вращения датчика, а значит, и направлении движения рабочего органа.

Таблица 4. Основные технические данные и характеристики датчика ВЕ178А:

Наименование параметров	Данные
Класс точности преобразователя по ГОСТ 26242-84	8
Количество выходных сигналов U1- основной U1-инверсный основному U2-смещённый U2-инверсный смещённому U0-начало отсчёта U0-Инверсный начала отсчёта	6 + + + + + +
Форма выходных сигналов	прямоугольная
Предел допускаемого значения погрешности перемещений: -при Z=250 -при Z=600…2500 -при Z=2500 -при Z=100	300 240 50 600

Таблица 5. Основные данные для подключения преобразователя:

Наименование параметров	Данные
Стабилизированное постоянное напряжение на электронную часть, В	15+(-) 5%
Стабилизированное постоянное напряжение на осветитель, В	5+(-) 5%
Потребляемая мощность, Вт, не более: -электронной частью -осветителем -общая	1,8 0,5 2,3
Допускаемая пульсация,мВ	5

Также в этот станок входят резольверы:

Резольвер часто называют еще и энкодером с синусоидальным выходом, однако у этих двух приборов есть существенные различия.

1. Энкодеры создают импульсы, характеризующие движение за короткий промежуток времени. При подсчете этих импульсов можно найти расстояние (или скорость), а порядок чередования импульсов по двум каналам свидетельствует о направлении вращения. Резольверы генерируют последовательность синусоидальных и косинусоидальных волновых импульсов аналогового напряжения, которые характеризуют абсолютное положение за один оборот вала. Эти аналоговые сигналы обычно преобразуются в цифровые интерфейсной платой резольвера.

2. Энкодеры обычно питаются от источника напряжения постоянного тока, в то в время как обмотка резольвера возбуждается синусоидальной волной переменного тока, которую создает специальный источник питания резольвера, а он, в свою очередь, запитан от простого источника напряжения постоянного тока.

3. В отношении технического исполнения и монтажа энкодеры также отличаются от резольверов. Например, у энкодеров система электронного управления как правило встроена в корпус, что минимизирует работы по подключению, но ограничивает диапазон рабочих температур. Напротив, при создании системы управления с резольвером, источник питания резольвера и интерфейсную плату монтируют возле самого входного устройства. Это требует дополнительных трудозатрат и места для подключения, однако позволяет эксплуатировать резольвер в среде с повышенной температурой. В приводных системах энкодеры всегда можно устанавливать вместо резольверов при условии, что температура среды эксплуатации находится в пределах от -40 ?С до +100 ?С и входное устройство способно принимать сигналы энкодера. Практически, все современные приводы переменного и постоянного тока допускают использование энкодеров в линии обратной связи, и лишь для небольшой части из них можно применять резольверы.

Резольверы

* ЛИР-ДР158А

Резольвер - преобразователь угловых перемещений на основе вращающегося трансформатора.

Разработан для тяжелых условий эксплуатации.

Принцип действия - электромагнитный.

Температурный диапазон от -40 до +100 С.

Диаметр корпуса 57 мм.

Точность ± 10 угловых минут.

Особенности:

Отсутствие оптических элементов и электронных компонентов.

Применяется в приводах в качестве датчика углового перемещения.

Цельный вал.

* ЛИР-ДР250А

Резольвер - преобразователь угловых перемещений на основе вращающегося трансформатора.

Разработан для тяжелых условий эксплуатации.

Принцип действия - электромагнитный.

Температурный диапазон от -40 до +100 С.

Диаметр корпуса 50 мм.

Точность ± 10 угловых минут.

Особенности:

Отсутствие оптических элементов и электронных компонентов.

Применяется в приводах в качестве датчика углового перемещения.

Полый вал.

1.10 Разработка мероприятий по энергосбережению при эксплуатации ЭСПУ

В Законе «Об энергосбережении» применяются следующие основные понятия:

Энергосбережение - организационная, научная, практическая, информационная деятельность государственных органов, юридических и физических лиц, направленная на снижение расхода (потерь) топливно -энергетических ресурсов в процессе их добычи, переработки, транспортировки, хранения, производства, использования и утилизации.

Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) - совокупность всех природных и преобразованных видов топлива и энергии, используемых в республике.

Электрическая энергия - это совокупность электрических частей электростанций, электрических сетей и потребителей электроэнергии, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства, распределения и потребления электрической энергии.

Электрическая энергия используется для питания систем ЭСПУ и другого различного оборудования в промышленности. Со стороны потребителей электроэнергии может производиться конкретная работа по рациональному использованию энергоресурсов это:

1. Применение новейших технических энергосберегающих средств.

2. Изменение привычек

Существуют следующие технические возможности, позволяющие рационально использовать электрическую энергию:

1.Применение элементной базы с малым энергопотреблением в ЭСПУ.

2. Применение электрических двигателей с малым потреблением тока.

3. Применение управления электрическим освещением с двух мест (коридор, ступени лестницы и др.).

4. Применение более экономичных осветительных приборов в цехах и на станках.

5. Применение комбинированного освещения в цехах.

Изменение привычек даст немалую возможность для экономии электроэнергии. Например: отключать ненужные в данный момент электроосветительные приборы.

Тепловая энергия используется на современных производствах в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива. Основными потребителями тепловой энергии являются: промышленные предприятия, организации. Для большинства производственных потребителей требуется тепловая энергия в виде пара или горячей воды.

В промышленности потребляется около 60% тепловой энергии, получаемой от сжигания твердого и газообразного топлива, добываемого в стране и ввозимого из России, поэтому экономия теплоты является важнейшей задачей.