Проект модернизации ультразвукового станка МЭ-76

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Автоматизация - это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, но под его контролем. Автоматизация производственных процессов приводит к увеличению выпуска, снижению себестоимости и улучшению качества продукции, уменьшает численность обслуживающего персонала, повышает надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и техники безопасности.

Автоматизация освобождает человека от необходимости непосредственного управления механизмами. В автоматизированном процессе производства роль человека сводится к наладке, регулировке, обслуживании средств автоматизации и наблюдению за их действием. Если автоматизация облегчает физический труд человека, то автоматизация имеет цель облегчить так же и умственный труд. Эксплуатация средств автоматизации требует от обслуживающего персонала высокой техники квалификации.

Научно-технический прогресс в промышленности определяется степенью совершенствования технологии, внедрением принципиально новых технологических процессов, модернизацией оборудования, прежде всего автоматизированного, с микропроцессорными и компьютерными системами контроля и управления.

Высокие темпы автоматизации оборудования, требуют практически непрерывного совершенствования технических средств автоматики. Современное оборудование оснащено специализированными компьютерными системами управления, позволяющими выполнять сложные технологические операции без непосредственного участия человека с гарантированным качеством продукции.

Постоянно повышаются экономические требования к автоматизации - быстрая окупаемость затрат, экономия энергии и т.д. Существенно повышены экологические требования и требования техники безопасности.

Современную микроэлектронику трудно представить без такой важной составляющей, как микроконтроллеры. Микроконтроллеры незаметно завоевали весь мир. Микроконтроллерные технологии очень эффективны. Одно и то же устройство, которое раньше собиралось на традиционных элементах, будучи собрано с применением микроконтроллеров, становится проще, не требует регулировки и меньше по размерам. С применением микроконтроллеров появляются практически безграничные возможности по добавлению новых потребительских функций и возможностей к уже существующим устройствам. Для этого достаточно просто изменить программу.

Однокристальные (однокорпусные) микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя следующие составные части: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой.

Мировая промышленность выпускает огромную номенклатуру микроконтроллеров. По области применения их можно разделить на два класса: специализированные, предназначенные для применения в какой-либо одной конкретной области и универсальные, которые не имеют конкретной специализации и могут применяться в самых различных областях микроэлектроники, с помощью которых можно создать как любое из перечисленных выше устройств, так и принципиально новое устройство.

Современная технология механической обработки конструкционных материалов достигла больших успехов, а выпускаемые промышленностью металлорежущие станки - высокой степени совершенства и высокой производительности, что позволяет с успехом решать различные задачи, выдвигаемые бурным процессом развития техники.

Однако развитие техники привело к появлению новых материалов, механическая обработка которых традиционными способами затруднена. К ним относятся, прежде всего, такие материалы с высокой твердостью, как вольфрамосодержащие и титанокарбидные сплавы, алмаз и др.

Преимущества ультразвукового (УЗ) способа обработки перед другими заключаются в возможности обрабатывать непроводящие и непрозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напряжений, приводящих при использовании других способов к образованию трещин на обрабатываемой поверхности.

Ультразвуковой способ обработки представляет собой разновидность обработки долблением - хрупкий материал выкалывается из изделия ударами зерен более твердого абразива, которые направляются торцом рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Применение ультразвуковых колебаний позволяет интенсифицировать процесс хрупкого разрушения обрабатываемого материала за счет создания сетки микротрещин и выколов на поверхности.



1. Технологическая часть

1.1 Описание технологического объекта

Станок высокой точности предназначен для сверления алмазных и твердосплавных волок Ш от 0,12 до 1,6 мм. Станок специальный и может быть использован на предприятиях, занимающихся обработкой твердосплавных и алмазных волок, а так же восстановлением изношенных волок.

Ультразвуковой станок (УЗ) для обработки волок представляет собой настольную конструкцию. Установочное перемещение головки, а также рабочее перемещение стола осуществляется в вертикальной плоскости.

Акустическая головка установлена в призматических роликовых направляющих качения на переднем плане станины станка. Перемещение головки осуществляется с помощью рукоятки, расположенной с правой стороны станины.

Рабочее перемещение осуществляется столом перемещающимся в шариковых направляющих, после нажатия на стол. Усилие рабочей подачи регулируется и устанавливаются с помощью рукоятки, установленной на пульте управления станка.

Рабочая жидкость - суспензия алмазной пудры, находится во взвешенном состоянии благодаря работе пульсатора, установленного в станине. Удаление суспензии алмазной пудры из рабочей зоны после окончания обработки волоки производится посредством поворота рукоятки на пульте управления по часовой стрелке.

Воздушное охлаждение акустической системы станка осуществляется с помощью вентилятора, установленного в левом отсеке станины. Воздух охлаждающий головку нагнетается через гибкий шланг, закрепленный внутри станины.

Заточка иглы инструмента производится с помощью механизма заточки, закрепленного шарнирно на передней плате станины. Заточка производится в крайнем верхнем положении головки.

Электрические узлы станка связаны с тумбой посредством электрического разъема.

Заложенный в станок конструктивные решения стола и головки обеспечивают высокую надежность работы этих узлов.

Станок оснащен ультразвуковым генератором типа УЗГ8-0,1/22-ТУ.

Ультразвуковой генератор с автоматической подстройкой частоты.

Предназначен для питания ультразвуковых станков. Нагрузкой генератора служит магнитострикционный преобразователь M. Генератор состоит из двух каскадов, первый - возбудитель в виде блокинг-генератора на транзисторах VT1, VT2, питаемый от выпрямителя с выходным напряжением E1. Выходной каскад собран на полумостовой схеме на транзисторах VT3, VT4. Нагрузка M подключена к выходу генератора через согласующие, трансформатор T2, контур C1 - L1 - C2 - L2 и дифференциальный трансформатор обратной связи T3. Напряжение обратной связи с трансформатора T3 подается на базовые цепи транзисторов VT1 и VT2 и осуществляет синхронизацию работы возбудителя. В генераторе предусмотрена ступенчатая регулировка мощности в диапазоне от 10 до 100 % номинальной. Ультразвуковой генератор показан на рисунке 1.1.1

Рисунок 1.1.1 Генератор типа УЗГ-0,1/22 - ТУ

1.2 Описание основных узлов станка

1.2.1 Станина

Станина служит для установки узлов станка. Станина представляет собой литую конструкцию. На передней плате станины крепится головка. На горизонтальной плате крепится стол. В переднем кармане вертикальной стойки станины устанавливается механизм заточки.

В стойке станины расположены механизм разгрузки головки.

В нижней части станины расположен узел охлаждения - центробежный насос которого через гибкий шланг связан с неподвижной частью головки.

На передней наклонной плоскости крепится пульт с органами управления станка, в заднем отсеке станины расположена панель электрооборудования.

1.2.2 Стол

Стол предназначен для установки и перемещения в шариковых направляющих изделия в вертикальном направлении в сторону инструмента. Усилие подачи осуществляется и регулируется с помощью пружины растяжения и рычажной системы.

1.2.3 Вентилятор

Назначение узла - воздушное охлаждение магнитострикционного преобразователя.

Конструктивное решение узла отличается простотой и надежностью в работе. Центробежный насос (крыльчатка) установленный в подшипниках качения получает движение через клиноременную передачу от двигателя.

1.2.4 Механизм заточки

Назначение узла - заточка иглы - инструмента непосредственно на станке.

Конструктивными особенностями узла является то, что абразивный камень закрепленный на шпинделе, получающий вращение от двигателя через упругую муфту, осциллирует относительно иглы благодаря покачиванию вокруг оси качения. Ось осцилляции в свою очередь имеет возможность поворота в пространстве на 90°. Отвод механизма осуществляется поворотом механизма на 30° относительно оси отвода.

1.2.5 Головка

Головка служит для базировки и сообщения перемещения и вращения инструменту в вертикальной плоскости.

Колебательная система крепится во вращающемся в подшипниках качения шпинделе, который в свою очередь устанавливаются в корпусе каретки перемещающейся в роликовых направляющих качения в вертикальной плоскости.

Шпиндель приводится во вращение двигателем через клиноременную передачу и разгруженный шкив. Каретка головки перемещается в вертикальной плоскости вручную. В равновесии каретка удерживается с помощью противовеса и фрикционной муфты. Основные характеристики (УЗ) станка указаны в таблице 1.2.1

Таблица 1.2.1

Стол	Головка
Рабочий ход	6,0мм	Наибольшее вертикальное перемещение	12,5мм
Предел регулирования усилия подачи	0,02-0,40 кг	Рабочая частота колебательной системы	22±7,5%
		Амплитуда колебаний инструмента	0,020-0,030 мм

Технические характеристики (УЗ) представлены в таблице 1.2.2



Таблица 1.2.2

Диаметр отверстий в обрабатываемых волоках	0,12-1,6 мм
Мощность колебательной системы	100Вт
Производительность	30 шт/см
Рабочая частота колебательной системы	18±1,35 кгц
Установочный ход головки	До 125 мм
Амплитуда торца концентратора	До 30 мкм
Охлаждение колебательной системы	Воздушно-принудительное
Скорость вращения шпинделя	1000 об/мин
Вылет инструмента от торца концентратора	80 мм
Рабочий ход стола	6 мм
Пределы регулирования изменения усилия	20-400 г
Чувствительность механизма подачи стола	20 г
Род питающей сети	Переменный трехфазный ток
Частота тока	50гц
Напряжение	380В
Габариты станка
Длина	600 мм
Ширина	500 мм
Высота	900 мм



2. Автоматизация системы ультразвукового станка

2.1 Описание функциональной схемы ультразвукового станка

Происходит включение шагового двигателя 2, который приводит в движение шпиндель с иглой. Движение происходит до тех пор пока игла инструмент не коснется волоки. При соприкосновении волоки с иглой включается датчик XE посылая сигнал на микроконтроллер и происходит отключение шагового двигателя 2.

2.2 Описание структурной схемы (УЗ) станка

Данный технологический процесс ультразвукового станка может работать в двух режимах:

- в автоматическом

- в ручном

При работе станка в автоматическом режиме происходит включение и отключение шагового двигателя управляемого микроконтроллером, включение сверла и датчик, при касании которого отключается шаговый двигатель.

При работе в ручном режиме происходит включение сверла и вращение колеса, приводящее шпиндель в движение.

2.3 Описание принципиальной электрической схемы (УЗ) станка

Вводным автоматическим выключателем QF осуществляется подключение сети 380В на клемму магнитного пускателя и на первичную обмотку трансформатора TV. При этом загорается сигнальная лампа HL1.

Электрическая схема станка имеет два режима работы:

- заточка инструмента

- обработка детали

При заточке инструмента, переключатель SA2 устанавливают на положение “заточка”, нажатием на кнопку управления SB2, через пускатели КМ2 включают электродвигатель M2 вращения головки и электродвигатель M3 заточки.

Обработка детали ультразвуковым сверлением волок производится следующим образом.

Переключатель SA2 устанавливают в положение “работа”. Кнопкой управление SB2 включают электродвигатели вентилятора M1, вращение головки M2. Затем кнопкой SB4 включают шаговый двигатель (FL28STH), который в свою очередь приводит в движение шпиндель. Для длительной обработки волоки, кнопкой SB6 устанавливается таймер на нужное время. При этом происходит ультразвуковая обработка.

Рабочее положение стола фиксируется загоранием сигнальной лампы HL2.

При истечении установленного времени шаговый двигатель (FL28STH) автоматически приводит в движение шпиндель и возвращает его в верхнее исходное положение. Затем происходит отключение сигнальной лампы HL2, которая сигнализирует окончание работы.

Через разделительный трансформатор TV1 работает цепь управления от напряжения 110В, сигнализация и местное освещение от напряжения 24В. Электродвигатель заточки M3 питается от напряжения 29В.

Защита от короткого замыкания в линии осуществляется автоматическим выключателем QF1 и предохранителями FU1, FU2 и FU3.

2.4 Описание кинематической схемы

Ультразвуковой станок для обработки волок представляет собой настольную конструкцию. Обработка волоки осуществляется иглой, закрепленной на торце концентратора (5) накидной гайкой. Концентратор, в свою очередь, вместе с преобразователем и резонансной мембраной устанавливается на торце шпинделя(7), вращающегося в подшипниках качения(6 ). Шпиндель(7) получает движение от двигателя(10) через клиноременную передачу(8 и 9) и разгруженный шкив, вращающийся в подшипниках.

Установочное перемещение головки с вращающимся в ней шпинделем осуществляется автоматически за счет движения шагового двигателя(14) через плоскоременную передачу. Ползушка головки перемещается в направляющих качения(15).

Головка взвешена с помощью системы пружин(13), связанных тросом через систему отклоняющих роликов с ползушкой головки.

При движении головки вниз посредством тумблера взводится стол, перемещающийся в шариковых направляющих. При этом, когда стол находится в рабочем (взведенном) положении, на пульте управления горит сигнальная лампа.

Усилие подачи стола регулируется растяжением пружины(3) с помощью рукоятки, выведенной на пульт управления, которая соединена с рычагом, растягивающим пружину через червяк(1) и червячное колесо(2)

Заточка иглы-инструмента производится с помощью механизма заточки, встроенного в переднюю нишу станины. Шлифовальный круг Ш40 мм, закрепленный на шпинделе механизма заточки, вращающегося от двигателя со скоростью 9000 об/мин. Осцилляция при заточке инструмента производится покачиванием относительно оси осцилляции. Подвод шлифовального круга производится поворотом относительно вертикальной оси, вращающейся в подшипниках качения.

С целью равномерного износа шлифовального круга корпус шпинделя имеет осевое перемещение с помощью микровинта.

При заточке конуса инструмента ось осцилляции поворачивается на угол соответственно затачиваемому конусу.

Охлаждение магнитострикционного преобразователя осуществляется центробежным вентилятором, крыльчатка которого вращающаяся в подшипниках качения получает движение через клиноременную передачу от двигателя.

2.5 Выбор средств автоматизации

2.5.1 Микроконтроллер Atmega 8

Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера.

Микропроцессорная система (МПС) на основе микроконтроллера (МК) используются чаще всего в качестве встроенных систем для решения задач управления некоторым объектом (в конкретном случае - шаговым двигателем). Важной особенностью данного применения является работа в реальном времени, т.е. обеспечение реакции на внешние события в течение определенного временного интервала. Такие устройства получили название контроллеров.

Методология проектирования контроллеров может быть представлена так, как показано на рисунке 2.5.1.1

Рисунок 2.5.1.1 - Основные этапы разработки контроллера

Этап разработки алгоритма управления является наиболее ответственным, поскольку ошибки данного этапа обычно обнаруживаются только при испытаниях законченного изделия и приводят к необходимости дорогостоящей переработки всего устройства. Разработка алгоритма обычно сводится к выбору одного из нескольких возможных вариантов алгоритмов, отличающихся соотношением объема программного обеспечения и аппаратных средств. ультразвуковой станок автоматизация

При этом необходимо исходить из того, что максимальное использование аппаратных средств упрощает разработку и обеспечивает высокое быстродействие контроллера в целом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемой мощности. При выборе типа МК учитываются следующие основные характеристики:

- разрядность;

- быстродействие;

- набор команд и способов адресации;

- требования к источнику питания и потребляемая мощность в различных режимах;

- объем ПЗУ программ и ОЗУ данных;

- возможности расширения памяти программ и данных;

- наличие и возможности периферийных устройств, включая средства поддержки работы в реальном времени (таймеры, процессоры событий и т.п.);

- возможность перепрограммирования в составе устройства;

- наличие и надежность средств защиты внутренней информации;

- возможность поставки в различных вариантах конструктивного исполнения;

- стоимость в различных вариантах исполнения;

- наличие полной документации;

- наличие и доступность эффективных средств программирования и отладки МК;

- количество и доступность каналов поставки, возможность замены изделиями других фирм.

Номенклатура выпускаемых в настоящее время МК исчисляется тысячами типов изделий различных фирм. Современная стратегия модульного проектирования обеспечивает потребителя разнообразием моделей МК с одним и тем же процессорным ядром. Такое структурное разнообразие открывает перед разработчиком возможность выбора оптимального МК, не имеющего функциональной избыточности, что минимизирует стоимость комплектующих элементов.

Разработка и отладка программного обеспечения.

Содержание этапов разработки программного обеспечения, его трансляции и отладки на моделях существенно зависит от используемых системных средств. В настоящее время ресурсы 8-разрядных МК достаточны для поддержки программирования на языках высокого уровня. Это позволяет использовать все преимущества структурного программирования, разрабатывать программное обеспечение с использованием раздельно транслируемых модулей. Одновременно продолжают широко использоваться языки низкого уровня типа ассемблера, особенно при необходимости обеспечения контролируемых интервалов времени. Задачи предварительной обработки данных часто требуют использования вычислений с плавающей точкой, трансцендентных функций.

В настоящее время самым мощным средством разработки программного обеспечения для МК являются интегрированные среды разработки, имеющие в своем составе менеджер проектов, текстовый редактор и симулятор, а также допускающие подключение компиляторов языков высокого уровня типа Паскаль или Си. При этом необходимо иметь в виду, что архитектура многих 8-разрядных МК вследствие малого количества ресурсов, страничного распределения памяти, неудобной индексной адресации и некоторых других архитектурных ограничений не обеспечивает компилятору возможности генерировать эффективный код.

Аппаратные средства микроконтроллера серии Atmega8.

Технические параметры микроконтроллера семейства AVR ATmega8:

- память для программ составляет 8 кБ с возможностью перезаписать 10 000 раз;

- 512 Б флеш-памяти для хранения переменных (100 000 циклов перезаписи);

- 1 кБ ОЗУ и 32 регистра общего назначения;

- три 8-разрядных таймера-счетчика с раздельным прескалером, режим сравнения;

- 16-разрядный таймер-счетчик с раздельным прескалером, режим сравнения, режим захвата;

- таймер реального времени с независимым генератором;

- 3 канала ШИМ;

- 6 каналов 10-разрядного АЦП;

- двухпроводный последовательный интерфейс;

- программируемый последовательный USART;

- интерфейс SPI с режимами Master/Slave;

- программируемый сторожевой таймер с отдельным независимым генератором;

- встроенный аналоговый компаратор;

- сброс при включении питания, программируемая защита от провалов питания;

- встроенный калиброванный RC-генератор;

- обработка внутренних и внешних прерываний;

5 режимов с пониженным энергопотреблением: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, и Standby;

- напряжение питания от 4,5 до 5,5 В;

- тактовая частота от 0 до 16 МГц.

Блок-схема микроконтроллера изображена на рисунке 2.5.1.2

Рисунок 2.5.1.2 - Блок-схема микроконтроллера ATmega8

Режим холостого хода (Idle) останавливает ЦПУ, но при этом поддерживая работу статического ОЗУ, таймеров-счетчиков, SPI-порта и системы прерываний. Режим выключения (Powerdown) позволяет сохранить содержимое регистров, при остановленном генераторе и выключении встроенных функций до следующего прерывания или аппаратного сброса. В экономичном режиме (Power-save) асинхронный таймер продолжает работу, позволяя пользователю сохранить функцию счета времени в то время, когда остальная часть контроллера находится в состоянии сна. Режим снижения шумов АЦП (ADC Noise Reduction) останавливает ЦПУ и все модули ввода-вывода, кроме асинхронного таймера и АЦП для минимизации импульсных шумов в процессе преобразования АЦП. В дежурном режиме (Standby) кварцевый/резонаторный генератор продолжают работу, а остальная часть микроконтроллера находится в режиме сна. Данный режим характеризуется малой потребляемой мощностью, но при этом позволяет достичь самого быстрого возврата в рабочий режим. В расширенном дежурном режиме (Extended Standby) основной генератор и асинхронный таймер продолжают работать.

УГО микроконтроллера изображено на рисунке 2.5.1.3, а его цоколевка на рисунке 2.5.1.4.

Рисунок 2.5.1.3 - УГО микроконтроллера ATmega8

Рисунок 2.5.1.4 - Цоколевка микроконтроллера ATmega8

Микроконтроллер производится по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Встроенная внутрисистемно программируемая флэш-память позволяет перепрограммировать память программ непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI с помощью простого программатора или с помощью автономной программы в загрузочном секторе. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в процессе обновления прикладной секции флэш-памяти, тем самым поддерживая двухоперационность: чтение во время записи. За счет сочетания 8-разр. RISC ЦПУ с внутрисистемной самопрограммируемой флэш-памятью в одной микросхеме ATmega8 является мощным микроконтроллером, позволяющим достичь высокой степени гибкости и эффективной стоимости при проектировании большинства приложений встроенного управления.

Назначение выводов микроконтроллера ATmega8 представлено в таблице 2.5.1.1

Таблица 2.5.11 - Назначение выводов микроконтроллера ATmega8

2.5.2 Драйвер двигателя L293D

Для управления двигателем необходимо устройство, которое бы преобразовывало управляющие сигналы малой мощности в токи, достаточные для управления моторами. Такое устройство называют драйвером двигателей. Рисунок 2.5.2.1

Рисунок 2.5.2.1

Существует достаточно много самых различных схем для управления электродвигателями. Они различаются как мощностью, так и элементной базой, на основе которой они выполнены.

Мы остановимся на самом простом драйвере управления двигателями, выполненном в виде полностью готовой к работе микросхемы. Эта микросхема называется L293D и является одной из самых распространенных микросхем, предназначенных для этой цели.

L293D содержит сразу два драйвера для управления электродвигателями небольшой мощности (четыре независимых канала, объединенных в две пары). Имеет две пары входов для управляющих сигналов и две пары выходов для подключения электромоторов. Кроме того, у L293D есть два входа для включения каждого из драйверов. Эти входы используются для управления скоростью вращения электромоторов с помощью широтно модулированного сигнала (ШИМ).

L293D обеспечивает разделение электропитания для микросхемы и для управляемых ею двигателей, что позволяет подключить электродвигатели с большим напряжением питания, чем у микросхемы. Разделение электропитания микросхем и электродвигателей может быть также необходимо для уменьшения помех, вызванных бросками напряжения, связанными с работой моторов.

Принцип работы каждого из драйверов, входящих в состав микросхемы, идентичен, поэтому рассмотрим принцип работы одного из них.

Рисунок 2.5.2.2 Схема драйвера двигателей

К выходам OUTPUT1 и OUTPUT2 подключим электромотор MOTOR1.

На вход ENABLE1, включающий драйвер, подадим сигнал (соединим с положительным полюсом источника питания +5V). Если при этом на входы INPUT1 и INPUT2 не подаются сигналы, то мотор вращаться не будет.

Если вход INPUT1 соединить с положительным полюсом источника питания, а вход INPUT2 - с отрицательным, то мотор начнет вращаться.

Теперь попробуем соединить вход INPUT1 с отрицательным полюсом источника питания, а вход INPUT2 - с положительным. Мотор начнет вращаться в другую сторону.

Попробуем подать сигналы одного уровня сразу на оба управляющих входа INPUT1 и INPUT2 (соединить оба входа с положительным полюсом источника питания или с отрицательным) - мотор вращаться не будет.

Если мы уберем сигнал с входа ENABLE1, то при любых вариантах наличия сигналов на входах INPUT1 и INPUT2 мотор вращаться не будет.

Представить лучше принцип работы драйвера двигателя можно, рассмотрев следующую таблицу:

Таблица 2.5.2.1

ENABLE1	INPUT1	INPUT2	OUTPUT1	OUTPUT2
1	0	0	0	0
1	1	0	1	0
1	0	1	0	1
1	1	1	1	1

Теперь рассмотрим назначение выводов микросхемы L293D. Рисунок 2.5.2.3

Рисунок 2.5.2.3

Входы ENABLE1 и ENABLE2 отвечают за включение каждого из драйверов, входящих в состав микросхемы.

Входы INPUT1 и INPUT2 управляют двигателем, подключенным к выходам OUTPUT1 и OUTPUT2.

Входы INPUT3 и INPUT4 управляют двигателем, подключенным к выходам OUTPUT3 и OUTPUT4.

Контакт Vs соединяют с положительным полюсом источника электропитания двигателей или просто с положительным полюсом питания, если питание схемы и двигателей единое. Проще говоря, этот контакт отвечает за питание электродвигателей.

Контакт Vss соединяют с положительным полюсом источника питания. Этот контакт обеспечивает питание самой микросхемы.

Четыре контакта GND соединяют с "землей" (общим проводом или отрицательным полюсом источника питания). Кроме того, с помощью этих контактов обычно обеспечивают теплоотвод от микросхемы, поэтому их лучше всего распаивать на достаточно широкую контактную площадку.

Характеристики микросхемы L293D:

- напряжение питания двигателей (Vs) - 4,5...36V

- напряжение питания микросхемы (Vss) - 5V

- допустимый ток нагрузки - 600mA (на каждый канал)

- пиковый (максимальный) ток на выходе - 1,2A (на каждый канал)

- логический "0" входного напряжения - до 1,5V

- логическая "1" входного напряжения - 2,3...7V

- скорость переключений до 5 kHz.

- защита от перегрева

2.5.3 Шаговый двигатель FL28STH и его описание

Воспользуемся шаговым двигателем. Они позволяют на заданном шаге вращать ротор в нужное положение, благодаря подаче сигнала на ту или иную катушку возбуждения.

В зависимости от угла, который мы хотим получить необходимо, задать количество шагов.

Изучив характеристики шаговых моторов, предлагаемые как нашими производителями, так и зарубежными, я пришёл к выводу воспользоваться шаговым мотором российского производства НПФ «Электроприбор»; рассмотрим серию FL28STH.

Таблица 2.5.3.1 - Технические характеристики двигателя

Величина полного шага, град	1,8
Погрешность углового шага, град	±0,09
Погрешность сопротивления обмоток двигателя	%10
Погрешность индуктивности обмоток двигателя	%20
Максимальное радиальное биение вала двигателя, мм	0,02
Максимальное осевое биение вала двигателя, мм	0,08
Максимальная допустимая осевая нагрузка на валу, Н	10
Максимальная допустимая радиальная нагрузка на валу, Н	28

Существуют два основных типа шаговых двигателей, применяемых в практике:

* с постоянным магнитом;

* с переменным магнитным полем.

Двигатели с постоянным магнитом бывают биполярными и униполярными.

Биполярные двигатели - наиболее простые для решения несложных задач. Они состоят из постоянного магнита вращающегося ротора и окруженного полюсами статора, состоящего из четырех обмоток. Протекание тока в обмотках статора возбуждает ротор, и при последовательной коммутации обмоток происходит ступенчатое вращение.

Рисунок 2.5.3.1 - Конструкция биполярного шагового двигателя

Рисунок 2.5.3.2 - Схема биполярного двигателя

Рисунок 2.5.3.3 - Схема униполярного двигателя

Для двигателя этого типа существует три метода возбуждения обмоток.

* Возбуждение обмоток происходит в последовательности AB/CD/ BA/DC (ВА указывает на то, что обмотка АВ возбуждается в противоположном направлении). Эта последовательность известна под названием «одна фаза активна», «полный шаг» или «привод волны». В каждый момент возбуждается только одна из фаз.

Рисунок 2.5.3.4 - Последовательность возбуждения обмоток «одна фаза активна»

* Возбуждение одновременно обеих фаз, чтобы ротор выровнялся между двумя положениями полюса. Такой метод называется «две фазы активны», «полный шаг». Это состояние является следующей последовательностью привода биполярного двигателя и дает самый высокий вращающий момент.

* Возбуждение одной фазы, потом - двух, потом - одной и т.д., чтобы ротор двигался поэтапно, вращаясь в квадранте. Эта последовательность известна как «ступенчатый метод половины». Полуволна имеет большой угол вращения за шаг двигателя, но слабый вращающий момент.

Для вращения в противоположном направлении (синхронизация прежняя) изменяется порядок возбуждения обмоток, на противоположный. Как показано на диаграммах, угол поворота ротора составляет 90°. Промышленные двигатели имеют больше полюсов и достигают угла поворота в несколько градусов, но число обмоток и последовательность привода остаются неизменными.

Униполярный двигатель с постоянным магнитом идентичен биполярному за тем исключением, что у него в каждой фазе используются две обмотки. Это необходимо для того, чтобы полностью изменить поток статора быстрее, чем в двунаправленном приводе (рис. 2.5.3.5).

Рисунок 2.5.3.5 - Схема униполярного двигателя с постоянным магнитом

Ротор выполняет тот же путь, что и у биполярного двигателя за тем исключением, что мостовые драйверы заменены простыми униполярными каскадами: четыре транзистора Дарлингтона, или счетверенные транзисторные матрицы Дарлингтона.

Униполярные двигатели более дорогостоящие, поскольку у них - вдвое больше обмоток. Кроме того, их характеризует гораздо меньший вращающий момент при одинаковых габаритах, так как обмотки выполнены из более тонкого провода. Все двигатели с постоянным магнитом генерируют электромагнитные помехи ротором, который ограничивает скорость вращения. При очень высоких скоростях вращения необходим двигатель с переменным магнитным полем.

Двигатель переменного магнитного поля оснащен ротором из нена-магниченного мягкого железа с меньшим количеством полюсов, чем статор (рис. 2.5.3.5). При этом используется униполярный метод возбуждения пары полюсов статора, чтобы повернуть ротор к полюсам возбуждаемой обмотки ступенчато. Здесь также используют три различных последовательности возбуждения фаз:

* «одна фаза активна» - A/C/B/D;

* «две фазы активны» - AC/CB/BD/DA;

* «шаг-половина» - A/AC/C/BC/B/BD/D/DA.

Заметим, что угол поворота ротора составляет 15°, а не 45°. В прошлом униполярные двигатели были более интересны для проектировщиков, поскольку имеют простой выходной каскад. Теперь, когда выпускаются монолитные драйверы напряжения, биполярные двигатели становятся более популярным.

Для правильного генерирования импульса обмотки ШД необходим мостовой коммутатор тока обмотки. Такой коммутатор можно собрать на дискретных элементах.

Шаговый двигатель - устройство с постоянной мощностью, если мощность определить как момент, умноженный на скорость. Это означает, что крутящий момент обратно пропорционален скорости. Чтобы уяснить, почему мощность мотора не зависит от скорости, представим себе идеальный шаговый двигатель.

В идеальном двигателе нет трения, его момент пропорционален ампер-виткам обмоток и единственной электрической характеристикой является индуктивность. Индуктивность L характеризует способность обмотки запасать энергию в магнитном поле. Индуктивности обладают свойством индуктивного сопротивления, т.е. сопротивления переменному току, которое тем больше, чем быстрее меняется ток, а значит, индуктивное сопротивление возрастает вместе со скоростью вращения двигателя. По закону Ома ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален полному сопротивлению, откуда следует, что ток обмотки уменьшается при увеличении скорости вращения. Т.к. момент пропорционален ампер-виткам, а ток обратно пропорционален скорости, то момент также будет обратно пропорционален скорости. Т.е. при нулевой скорости момент стремится к бесконечности, при увеличении скорости момент(и ток) начинает стремиться к нулю.

Электрически, реальный двигатель отличается от идеального в основном ненулевым сопротивлением обмотки, а также ферромагнитными составляющими, которым свойственно насыщаться магнитным полем, что приводит к гистерезисным потерям и потерям на вихревые токи. Насыщение ограничивает момент, а вихревые токи и гистерезисные потери вызывают нагрев мотора. На рисунке 2.5.3.6 представлена кривая зависимости крутящего момента шагового двигателя от скорости. (рисунок 2.5.3.6).

Рисунок 2.5.3.6

Как видно из рисунка 2.5.3.6, при скорости ниже определенного предела, момент, а следовательно и ток, возрастают очень быстро, вплоть до уровней, приводящих к повреждению мотора. Чтобы этого избежать, драйвер должен ограничивать нарастание тока до определенной величины. Поскольку момент пропорционален току, момент будет постоянен начиная с момента удержания до порогового значения скорости, а при скорости выше порога - ток будет ограничен индуктивностью обмоток.

Рисунок 2.5.3.7

В результате, скорость-моментная характеристика идеального двигателя будет начинаться с отрезка, где момент постоянный, до точки, когда мотор перестанет генерировать и потреблять реактивную мощность. Реальный шаговый двигатель обладает потерями, которые изменяют идеальную скорость-моментную характеристику. Особенно велик вклад момента от зубцовых гармоник магнитного поля(его иногда указывают в документации на двигатель). Потери в двигателе есть всегда, и чем быстрее вращается вал шагового мотора, тем больше потери, и их также необходимо вычитать из идеальной характеристики.

Рисунок 2.5.3.8

Обратите внимание, как реальная мощность падает вместе с ростом скорости, в том числе и на отрезке "постоянной мощности". Скругление на переходной точке обусловлено переходным процессом в цепи - драйвер постепенно превращается из источника тока в источник напряжения.

Шаговый двигатель сильно подвержен резонансу, являясь по факту аналогом маятника "подвешенный на пружине груз", где грузом является ротор, а пружиной - магнитное поле, и имеет частоту собственных колебаний, зависящую от силы тока и инерции ротора. В момент, когда разность фаз момента и скорости достигает величины 180 град., возникает резонанс - изменение магнитного поля начинает совпадать со скоростью, и скорость ротора при позиционировании на новый шаг становится слишком велика. При резонансе значительная часть энергии магнитного поля уходит на преодоление инерции ротора при колебании около положения равновесия, что выражается в значительном падении крутящего момента на валу. Накопленная кинетическая энергия ротора расходуется при возникновении резонанса примерно за 1-10 сек, поэтому разогнать двигатель можно, пройдя зону резонанса без последствий, но работать сколь-нибудь продолжительное время не удастся - вал остановится. Для устранения этого явления в драйверах используются различные антирезонансные алгоритмы.

Рисунок 2.5.3.9

Выходная мощность двигателя (скоростьЧмомент) пропорциональна напряжению, деленному на квадратный корень из индуктивности. Если мы увеличим вдвое напряжение ШИМ, то получим другую кривую СМХ, лежащую выше, и мощность на участке постоянной мощности вырастет вдвое. С током иная картина. Рисунок ниже показывает, что будет при выставлении на драйвере тока в 2 раза больше номинального для двигателя. Мотор начинает выделять в 4 раза больше тепла, а момент на низких оборотах увеличивается менее чем в 2 раза из-за насыщения сердечников обмоток.

Рисунок 2.5.3.10

Как можно видеть, мощность не увеличивается вовсе. Всегда рекомендуется выставлять ток на драйвере равным номинальному значению для двигателя. Это в том числе снизит вибрации на низких частотах, улучшит характеристики хода в микрошаговом режиме.

Основные причины нагрева двигателя: потери на сопротивлении обмоток и ферромагнитные потери. Первая часть всем знакома - это тепловая энергия, выделяющяяся на активном сопротивлении проводов обмоток, равная I2R. Вклад этого слагаемого велик только когда двигатель находится в режиме удержания, и резко уменьшается с возрастанием скорости двигателя. Ферромагнитными потерями называются потери на токи Фуко и гистерезисные потери. Они зависят от изменения тока и, следовательно, от питающего напряжения, и выделяются в виде тепла. Как было сказано выше, мощность двигателя растет прямо пропорционально напряжению, однако ферромагнитные потери тоже растут, причем, в отличие от мощности, - нелинейно, что и ограничивает максимальное напряжения, которое можно использовать для драйвера. Можно сказать, что максимальная полезная мощность шагового двигателя определяется количеством тепла, которое может на нем безопасно выделяться. Поэтому не следует стараться выжать полкиловатта из двигателя 57 серии, подключив драйвер к источнику в 10 кВ - у напряжения есть разумные пределы. Их можно рассчитывать разными способами. Эмпирически было получено несколько оценок сверху для максимального питающего напряжения ШИМ-драйвера: оно не должно превышать номинальное напряжение обмоток более чем в 25 раз или величину 32v L, где L - индуктивность обмотки.

Ниже изображен рисунок 2.5.3.12 показывающий ферромагнитные потери для двигателя с номинальными характеристиками 4 А, 3 В.

Рисунок 2.5.3.11

3. Конструктивная часть

3.1 Конструкция основного узла ультразвукового станка

В конструкции основного узла автоматизации применяется плоскоременная передача.

Плоскоременная передача служит для передачи крутящего момента между валами механизмов и машин посредством гибкой связи - плоского ремня. Классическая компоновка плоскоременной передачи - два шкива (ведущий и ведомый) и охватывающий их плоский ремень. Ведущий шкив за счет силы трения между своей рабочей поверхностью и ремнем приводит последний в движение. Ремень в свою очередь передает вращение ведомому шкиву. Валы могут быть с параллельными, пересекающимися или скрещивающимися осями.

В качестве основных преимуществ плоскоременной передачи можно выделить простоту конструкции, невысокую стоимость, плавность хода, низкие шумовые характеристики, высокую точность синхронного вращения, возможность работы с большими угловыми скоростями, а также передачу крутящего момента между валами, находящимися на значительном расстоянии друг от друга (до 15 метров). Вследствие высокой гибкости ремни приводные плоские амортизируют рывки и вибрации при внезапном изменении нагрузки и компенсируют погрешности установки валов передачи. Кроме того, плоскоременная передача требует минимального технического обслуживания в эксплуатации, а ее коэффициент полезного действия достигает 98%.

В механических приводах плоскоременные передачи обычно используются для понижения частоты вращения. Максимальное передаточное отношение (U), которое может обеспечить такая передача:

- U=5 - 6 - для механизмов без дополнительного натяжного ролика;

- U=6 - 10 - для механизмов с использованием дополнительного натяжения ремней посредством ролика.

Плоскоременные передачи имеют высокую прочность на разрыв, выдерживают значительные нагрузки почти без остаточной деформации, работают на скоростях от 5 до 100 м/сек и могут передавать мощность до 50 кВт. При скоростях передачи свыше 30 м/сек рекомендуется применять ремни привода из синтетических материалов, ниже 30 м/сек - кордтканевые и прорезиненные. Верхний предел скорости ограничен увеличением тепловыделения и образованием воздушных подушек в зоне набегания плоского ремня на поверхность шкива. Ремни, работающие на скоростях до 30 м/сек, называются обыкновенными, свыше 30 м/сек - быстроходными.

Достоинства ременных передач:

- возможность передачи крутящим моментом между валами, расположенными на относительно большом расстоянии.

- плавность и бесшумность работы передачи.

- предельность нагрузки, самопредохранение от перегрузки. Способность ремня передать определенную нагрузку, свыше которой происходит буксование (скольжение) ремня по шкиву.

- возможность работы с высокими скоростями.

- простота устройства, небольшая стоимость, легкость технического обслуживания.



Заключение

В процессе модернизации ультразвукового станка были пройдены основные этапы проектирования. Была составлена функциональная, структурная, принципиальная, кинематическая схемы станка.

Модернизация станка отвечает всем требованиям современной технологии станков. Главным технологическим процессом являются плоскоременная передача, управляемая шаговым двигателем под управлением микроконтроллера.



Список используемых источников

1. Ультразвуковой станок для сверления волок МЭ -76:Руководство по эксплуатации / С.С. Подлазов, К.Л. Грязнов [и др.]

2. Библиотекарь [Электронный ресурс] - http://www.bibliotekar.ru/ - (дата обращения: 11.06.2014)

3. Википедия - свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. - http://wikipedia.org . - (дата обращения: 15.06.2014)

4. Все об электричестве [Электронный ресурс] - http://trigada.ucoz.com/- (дата обращения: 117.06.2014)

5. Микроконтроллеры [Электронный ресурс] - http://myrobot.ru/ - (дата обращения: 03.06.2014)

6. Черчение [Электронный ресурс] - http://cherch.ru/ - (дата обращения: 15.06.2014)

7. Электроника для всех [Электронный ресурс] - http://easyelectronics.ru/- (дата обращения: 11.06.2014)

8. Электропривод [Электронный ресурс] .- http://electroprivod.ru/ - (дата обращения: 11.06.2014)

9. Электротехнический портал [Электронный ресурс] - http://datasheet.su/ - (дата обращения: 11.06.2014)

Размещено на Allbest.ru

...