Дипломная работа: Загиров Ф. Ф. Модернизация электропривода подачи станка 16К20 УстьКатав укмт,ЭМ498 2012,77

Схема управления главным приводом предусматривает ограничение времени холостого хода электродвигателя М1. Если шпиндель не включен , то через 2 минуты двигатель М1 отключается за счет реле времени РВ7.В автоматическом режиме электродвигатель М1 включается по команде МО3 или МО4 от устройства ЧПУ. Включается реле РП20 или РП21. В зависимости от включения данных реле подается питание на РП1 или РП2. В этом режиме РП4 обесточено. Включение любой из 12 скоростей поддиапазонов шпинделя осуществляется контактами ходовых реле РП13..РП15.В качестве привода подач суппорта по оси X (поперечное перемещение) применяют шаговый двигатель М2 типа ШД-5М в комплекте с гидромотором.Кинематическая цепь привода подач суппорта по оси Z (продольное перемещение)- шаговый двигатель М3 типа ШД-5М в комплекте с гидромотором.Кинематическая цепь поворота шестипозиционной револьверной головки: асинхронный электродвигатель М4 — зубчатые колеса z = 20 и z = 62 — червячная передача z = 1 и z =38.Асинхронный электродвигатель М5 приводит во вращение шестеренный насос ВГ-11-11 А, осуществляющий централизованное смазывание станка.Торможение шпинделя происходит автоматически при выключении электродвигателя М1.Электросхема управления электромагнитными муфтами АКС бесконтактная ,выполненная на тиристорах 1Т5,1Т11.При установке переключателей ВП1 и ВТ1 в положение требуемой скорости и нажатии на кнопку КН9 «Пуск шпинделя» подаются управляющие потенциалы на открывание соответствующих тиристоров.В автоматическом режиме включается реле 1РП2, которое своим размыкающим контактом управляет тиристорами 1Т2,1Т3, а замыкающим контактом включает реле времени 1РВ1, которое с выдержкой времени дает ответ в ЧПУ.При переключениях скоростей шпинделя одни муфты отключаются, другие включаются.Для исключения замков при переключениях скоростей необходимо одновременно с отключением напряжения управления отключать кратковременное напряжение на тиристорах. С этой целью размыкающий контакт реле РП2 отключает управляющие потенциалы тиристоров 1Т2,1Т3.Тиристоры 1Т2, 1Т3 закрываются и прерывают питание электромагнитных муфт.После выдачи ответа в УЧПУ с помощью замыкающего временного контакта реле 1РВ1 реле 1РП2 отключается и своим размыкающим контактом включает цепь управляющих напряжений тиристоров 1Т2, 1Т3. Тиристоры открываются и напряжение питания электромагнитных муфт восстанавливается.В ручном режиме для отключения анодного напряжения на тиристорах 1Т5..1Т11 используется реле 1РП3, которое своим размыкающим контактом при переключении ВП1 разрывает цепь управляющих напряжений тиристоров 1Т2, 1Т3.

Привод подач с шаговыми двигателями (ШД) можно разделить на две группы: 1) привод с силовым ШД, соединенным через кинематическую цепь с исполнительным механизмом; 2) привод с управляющим ШД и промежуточным усилителем момента, выполненным в виде автономной следящей системы (обычно гидравлической). В первой группе динамические и статические характеристики привода определяются параметрами ШД, во второй — зависят от параметров следящей системы, которой управляет ШД.Преимущества шагового привода по сравнению с приводом следящим имеют значение лишь при малых мощностях приводов. К таким преимуществам относятся отсутствие датчика обратной связи по пути и тахогенератора, а также отсутствие коллектора с щетками. Именно это обусловило применение ШД в приводе подач малых токарных и шлифовальных станков, а также для управления различными вспомогательными механизмами станков и гибких производственных модулей.Современные быстродействующие ШД являются модифицированными синхронными электрическими машинами, обмотки которых возбуждаются несинусоидальными сигналами, т. е. прямоугольными или ступенчатыми импульсами напряжения с изменяющейся в широких пределах частотой. Ступенчатому характеру напряжений на фазах ШД соответствует дискретное вращение электромагнитного поля в воздушном зазоре двигателя. Вследствие этого движение ротора на низкой частоте слагается из последовательности элементарных перемещений, совершаемых по апериодическому или колебательному закону. При возрастании управляющей частоты неравномерность частоты вращения ротора ШД сглаживается.Шаговые двигатели с электронным коммутатором осуществляют преобразование последовательности управляющих импульсов (унитарного кода) в угол поворота вала. Каждому импульсу управления соответствует поворот вала на фиксированный угол (шаг двигателя), величина которого однозначно определена конструкцией ШД и способом переключения его обмоток. Частота вращения и суммарный угол поворота вала пропорциональны соответственно частоте и числу поданных импульсов управления. В отличие от синхронных двигателей в ШД переход в синхронное движение из состояния покоя осуществляется без скольжения, а торможение— без выбега ротора. Благодаря этому ШД (в рабочем диапазоне частот) обеспечивают внезапный пуск, остановку и реверсирование без потери информации, т. е. без пропуска шагов.

Гидропривод представляет собой совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов посредством рабочей жидкости под давлением. В качестве рабочей жидкости в гидроприводах используют минеральные масла. Гидроприводы обеспечивают высокую плавность движения исполнительных механизмов, а также широкий диапазон скорости их перемещения. Гидропривод позволяет надежно защитить систему от перегрузки, что позволяет механизмам работать по жестким упорам. К недостаткам гидроприводов следует отнести наличие наружных утечек жидкости, приводящих к повышенному расходу масла и загрязнению рабочего места.В станках с ЧПУ и ГПМ гидропривод используется для автоматизации вспомогательных механизмов.Широко используется гидропривод и в промышленных роботах для привода механизмов, осуществляющих как основные перемещения заготовок по координатам, так и вспомогательные движения, связанные с их захватом, фиксацией, расфиксацией, поворотом и т. д.Гидроприводы станков с ЧПУ и промышленных роботов включают в себя: насосы; направляющую гидроаппаратуру; регулирующую гидроаппаратуру; вспомогательные элементы; исполнительные механизмы (гидроцилиндры, гидродвигатели, комплектные электрогидравлические шаговые приводы).

1.4 Основные требования, предъявляемые к станочным приводам

Требования к электроприводам и системам управления станками определяются технологией обработки, конструктивными возможностями станка и режущего инструмента.

Основными технологическими требованиями являются обеспечение:

• 
  самого широкого круга технологических режимов обработки с использованием современного режущего инструмента;
  
• 
  максимальной производительности;
  
• 
  наибольшей точности обработки;
  
• 
  высокой чистоты обрабатываемой поверхности;
  
• 
  высокой степени повторяемости (стабильности) размеров деталей в обрабатываемой партии.
  

Удовлетворение всем этим и другим требованиям зависит от характеристик станка и режущего инструмента, мощности главного привода и электромеханических свойств приводов подач и систем управления.
1.5 Электроприводы подач
Расширение технологических возможностей и, в первую очередь, многооперационных, а также освоение нового твердосплавного и быстрорежущего инструмента обеспечили возможность проведения на одном станке различных технологических операций: фрезерование, сверление, растачивание и т.д. Это в свою очередь привело к усложнению приводов подач, вследствие увеличения вращающегося момента на валу двигателя, расширения диапазона рабочих подач и установочных перемещений, увеличения быстродействия привода, как при управляющем воздействии, так и при возмущении по нагрузке.

В последнее время конструкция станков претерпела существенные изменения, вследствие значительного сокращения механической части привода подач.

Исключение коробки передач привело не только к сокращению механической части привода, но также к повышению коэффициента полезного действия и снижению момента инерции электромеханического привода. В связи с этим снизилась нагрузка на двигатель при холостых перемещениях и возросла составляющая от резания в общей нагрузке приводов подач. В большинстве современных станков средних размеров нагрузка на двигатель при рабочих подачах без резания составляет не более 20 – 30 % от номинальной.

Полный диапазон регулирования в станках фрезерной, расточной и токарной групп составляет 100 – 1000, а в карусельной расширяется до 30000 40000. Реальный диапазон регулирования привода подачи каждой оси станка с ЧПУ при контурном фрезеровании бесконечен, так как минимальная подача от каждой оси в двух точках обрабатываемой поверхности (окружности) равна нулю.

Скорость быстрых перемещений зависит от характеристик механической части привода, дискретности управления, максимальной частоты вращения приводного электрического двигателя, коэффициента усиления по скорости следящего привода и максимального значения ошибки, запоминаемой системой числового программного управления.

На небольших токарных и сверлильных станках, в том числе для сверления печатных плат с большим количеством операций и малым ходом, наибольшее значение имеет быстродействие привода и систем ЧПУ. В этих случаях часто производительность ограничена самим станком.

Система ЧПУ также вносит ограничение минимального времени разгона и торможение привода. Как известно, система может запомнить ограниченную ошибку между заданным и действительным положением координатных осей станка. Эта ошибка в разных системах составляет от ± 5мкм до ± 10мкм. Из-за неудовлетворительных динамических свойств регулируемого электрического привода, особенно при возмущении по нагрузке, появляется недопустимая шероховатость поверхности, поэтому весьма важно обеспечить высокое быстродействие привода, особенно при сбросе и наброске нагрузки, а также при реверсе двигателя под нагрузкой при самых малых частотах вращения. Стабильность характеристик комплектного электропривода при достаточно большом коэффициенте усиления определяется стабильностью входного усилителя и датчика скорости – тахогенератора. Причем наибольшая нестабильность имеет место при малых частотах вращения, когда полученный сигнал соизмерим с дрейфом нуля усилителя и падения напряжения в щеточном контакте тахогенератора.

Таким образом, основные требования, предъявляемые к современным станочным электроприводам следующие:

• 
  минимальные габариты электрических двигателей при высоком вращающем моменте;
  
• 
  высокая максимальная скорость;
  
• 
  значительная нагрузочная способность в режиме кратковременной и повторной кратковременной нагрузке;
  
• 
  широкий диапазон регулирования;
  
• 
  высокая стабильность характеристик и, в первую очередь усилителей и тахогенератора;
  
• 
  высокое быстродействие при апериодическом характере переходных процессов разгона и торможения;
  
• 
  высокое быстродействие при наброске и сбросе нагрузки и при реверсе под нагрузкой на самых малых частотах вращения;
  
• 
  высокая равномерность движения при различной нагрузке на всех скоростях, вплоть до самых малых;
  
• 
  высокая надежность и ремонтопригодность;
  
• 
  удобство конструктивной установки двигателя на станке и встройки преобразователей в шкафы и ниши станков;
  
• 
  малые габаритные размеры и расход активных материалов;
  
• 
  небольшой расход дефицитных материалов;
  
• 
  простота наладки, ремонта и эксплуатации;
  
• 
  высокая унификация узлов отдельных элементов;
  
• 
  высокая экономичность и малая стоимость.
  

Как видно из перечисленных требований совмещение всех их в одном устройстве принципиально не возможно. Поэтому при проектировании и применении станочных приводов в каждом конкретном случае удовлетворение одним требованиям достигается в ущерб другим.
1.6 Обоснование модернизации
Шпиндель, система охлаждения, смазки и вентиляции работают от асинхронных двигателей и являются неуправляемыми.

По истечении лет электрооборудование отработало свой ресурс и вышло из строя.

Нехватка финансовых средств на предприятии обуславливает неполную замену станка, а лишь отдельные его части: замена шагово-гидравлического привода.

Основными недостатками привода являются: низкие динамические показатели.

В качестве приводов подач в станках с ПУ, в настоящее время, большое применение, находят тиристорные преобразователи (ТП).

Основное преимущество ТП – высокий КПД (95 – 99%) и высокое быстродействие (они практически безинерционы), ремонтопригодность.

ремонт электропривод станок преобразователь
2. Расчетная часть
2.1 Выбор двигателя и преобразователя
Для выбора мощности ЭД необходимо рассчитать силы, которые действуют на заготовку и режущий инструмент. На рисунке 2 представлен схематический процесс обработки с размещением сил резания.


Рисунок 2 – Схематический процесс обработки
Воспользуемся методикой расчета, которая применяется при конструировании ЭП подач станков.

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

Фактическая мощность ЭД определяется по формуле:
(1)
где nном- номинальная частота вращения ЭД, мин-1;

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

Величина момента Мz рассчитывается по формуле

(2)
где Fv- тяговая сила, необходимая для преодоления сил полезного сопротивления, Н;

hs- шаг винта, принимаем hs=0.02м;

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

Сила Fv определяется по формуле:
(3)
где Kп- коэффициент, учитывающий влияние опрокидывающего момента, который возникает вследствие несимметричного приложения силы подачи, для суппортов горизонтально – расточных станков принимаем Кп=1.1;

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

Fc- сила трения в направляющих, определяется по формулам, рекомендуемым нормалью станкостроения Н48-61:
(4)
где Qc- вес суппорта:
(5)
=1300·9.84=12,7кН

f=0.01 приведенный коэффициент трения;

Py, Pz- составляющие силы резания Н, определяются по предложенным режимам резания базового ТП.

Рассчитаем силы резания по формуле:
(6)
где t- глубина резания, t=0.02м;

s- подача, s=2мм/об;

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

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

v - Скорость резания, v=15м/мин.

Осевая сила резания составляет:



Тангенциальную Pz и радиальную Py составляющие силы резания определяем из соотношения:
Px: Py: Pz= 1: 0.4: 0.25 (7)
отсюда Pх=1,16 кН; Py= 0,725 кН.

Таким образом, необходимая тяговая сила составляет:



Момент сопротивления, приведенный к валу двигателя:



Рассчитанное значение момента используем для определения серии ЭД.

Расчетное значение требуемой мощности ЭД:

кВт.

Определив момент сопротивления на валу двигателя, требуемую мощность привода подач с номинальным вращающим моментом Мн=10,5 Нм, частотой nн=1500 об/мин и расчетным значением мощности выбираем привод взамен старого АОЛ-11.Проанализировав возможные варианты принимаем решение установить тиристорный преобразователь серии КЕМРОН исходя из следующих данных.

Основное преимущество ТП – высокий КПД (95 – 99%) и высокое быстродействие (они практически безинерционы), возможность управления , ремонтопригодность.

Применение ТП в электроприводе главного движения позволит:

– улучшить удельные энергетические показатели на 50%;

– достичь повышенной управляемости и быстродействия объекта регулирования;

– уменьшить габариты и массу;

– сократить число сбоев оборудования, вследствие своей высокой надежности и меньшего диапазона изменения своих параметров в случае непостоянства температуры.

Выбираем преобразователь тиристорный с частотным управлением двигателем постоянного тока.
2.2 Назначение, технические данные и устройство электропривода

типа «Кемрон»
Электроприводы типа «Кемрон» находят широкое применение в приводах подач металлорежущих станков благодаря высоким статическим и динамическим характеристикам, а также большому количеству типоразмеров (от 1,5 Нм до 170 Нм).

В комплект привода входят:

- тиристорный преобразователь;

- высокомоментный двигатель- постоянного тока со встроенными тахогене-ратором, резольвером, электромагнитным тормозом и позистором;

- силовой трансформатор;

- уравнительные дроссели;

- быстродействующие силовые предохранители.

Наличие тормоза, резольвера и величины передаточного отношения к нему определяются, заказчиком, так же как и количество координат при одном общем силовом трансформаторе. Он представляет собой однокоординатный модуль, выполненный по блочной конструкции, обеспечивающей свободный доступ ко всем элементам и контрольным точкам.

Комплектные электроприводы с высокомоментными электродвигателями постоянного тока типа 23МВН2СР-М(1М).

- номинальный момент (длительный) 23Нм

- номинальная частота вращения 750 мин

- максимальная частота вращения 1500 мин

- полоса пропускания частот ≥20 Гц

- номинальный ток 40А

- максимальный кратковременный ток 250А

- коэффициент неравномерности при

= 0.15 мин -1 ≤0,3

- среднее ускорение 1300/2000 рад/сек

- управляющие напряжение при максимальной частоте вращения ±10V

- пульсации управляющего напряжения ±2%

- напряжение питания 3 38ОV

-частота напряжения питания 50Н2 + 2%Тиристорный преобразователь типа 4AEBL6.- Напряжение питания 205V- максимальное выпрямленное напряжение 160V- номинальный ток 40А- максимальный кратковременный ток , 250- управляющее напряжение ; О-10V- пульсации управляющего напряжения ≤2%- масса 11 кгСиловой трансформатор7,7-380/205Технические параметры- Номинальное входное напряжение (V) 3-380- Допустимое отклонение +10..-15- Частота сети 50 ± 2%- Номинальное линейное выходное напряжение 205- Номинальная мощность (кYA) 7,7Описание работы преобразователяПреобразователь выполнен по двухконтурной схеме подчиненного регулирования с регуляторами скорости и тока. Управление преобразователем — согласованное нелинейное на низких скоростях и раздельное на высоких скоростях (более 300 об/мин). Предусмотрено адаптивное управление коэффициентами усиления контура скорости на низких скоростях.Большое число электронных защит исключает выходы из строя элементов преобразователя в аварийных ситуациях.Приступим к подробному описанию принципиальной схемы привода.Силовая схема (рисунок 4) преобразователя выполнена по реверсивной шести-пульсной однополупериодкой схеме выпрямления с уравнительными дросселями. Такая схема обеспечивает высокую полосу пропускания привода (до 40 Гц) и высокие динамические свойства, что оправдывает ее повышенную сложность.Силовой трансформатор осуществляет согласование напряжения электродвигателя с напряжением сети питания. Обмотки трансформатора включены по схеме «треугольник — двойной зигзаг», чем достигается исключение потока вынужденного намагничивания и, как следствие, экономия стали. Векторная диаграмма напряжений силовой части приведена на рисунке 4.Следует сделать некоторые пояснения к маркировке выводов силового трансформатора и построению векторной диаграммы. Применен трехфазный трансформатор с четырьмя обмотками на каждом стержне. Маркировка обмоток, расположенных на одном стержне, имеет однотипные буквы, например, первого стержня:(А—X) — первичная обмотка;(а—х, а1—х1, а2—х2) — вторичные обмотки.Рисунок 3 - Блок-схема привода «Кемрон»Рисунок 4 - Силовая схемаСоединения в точках а2—b2—с2, сделаны внутри намотки и недоступны при эксплуатации.